Blümer, J.

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Hochenergetische Teilchen ausdem Kosmos treffen die Erde stän-dig aus allen Richtungen, wobei dieIntensität mit steigender Energierasch abnimmt. Es handelt sichüberwiegend um Protonen undAtomkerne, die wahrscheinlich mitHilfe von Schockwellen und Ma-gnetfeldern in Supernova-Explo-sionen beschleunigt wurden. DieTeilchen durchqueren im Laufe vonca. 10 Millionen Jahren die Milch-straße mit ihrem Magnetfeld von ei-nigen Mikrogauss mehrfach aufchaotischen Bahnen; sie verhal-ten sich auf dieser Längenskalawie ein diffundierendes Plasma,sodass die Ankunftsrichtungen aufder Erde isotrop sind und die Iden-tifizierung der Quellen nicht mög-lich ist. Man vermutet bei Ener-gien von 1018 eV das Ende der Su-pernova-Beschleuniger und einenÜbergang zu extragalaktischenTeilchen, die mit steigender Ener-gie immer weniger abgelenkt wer-den.In mehreren Experimenten wur-den kosmische Teilchen mit Ener-gien von mehr als 1020 eV beob-achtet. Die Intensität beträgt beidiesen Energien nur noch ein Teil-chen pro Quadratkilometer undJahrhundert. Ihre Natur, Herkunft,Beschleunigung und Ausbreitungsind ungelöste Rätsel der Astro-teilchenphysik. Selbst konventio-nelle Interpretationen erfordern,dass man die physikalischen Ge-setze bei Extremwerten von Ener-gie, Magnetfeldstärke, Gravitationund bei Geschwindigkeiten ganznahe der Lichtgeschwindigkeit an-wenden muss. Man diskutiert hierGalaktische undExtragalaktischekosmische Strahlung100(100)Kosmische Strahlung – ein neues Fenster zumUniversumJ. Blümer, IK und Institut für Experimentelle Kernphysik der Universität KarlsruheNACHRICHTEN - Forschungszentrum Karlsruhe  Jahrg. 38  1-2/2006  S. 100–102 Abb. 1: Teilchendetektoren des KASCADE-Grande-Experimentsund Radioantennen des LOPES-Projekts sind integriert, um ga-laktische kosmische Strahlung zu studieren und neue Technologi-en zu entwickeln.die Schockwellenbeschleunigungin der Umgebung von supermas-siven Schwarzen Löchern mit 100Millionen Sonnenmassen ebensowie alternative Szenarien mit „neu-er Physik“, z. B. topologische De-fekte der Raum-Zeit, Zerfälle vonReliktteilchen aus der Urknallpha-se oder die Vernichtung super-symmetrischer Teilchen [1, 2].Direkte Messungen mit hoch flie-genden Ballonen und Satelliten sindauf Energien kleiner als 1014 eV be-schränkt, wo der Fluss noch eini-ge Teilchen pro Quadratmeter undMinute beträgt. Bei höheren Ener-gien muss man die Kaskaden vonSekundärteilchen ausnutzen, dievon den Primärteilchen in großerHöhe erzeugt werden. Diese sogenannten ausgedehnten Luft-schauer wurden 1938 von PierreAuger entdeckt und korrekt inter-pretiert. Sie können Hunderte vonMilliarden Teilchen enthalten undsich über viele Quadratkilometererstrecken. Das KASCADE-Grande-Instrumentauf dem Gelände des Forschungs-zentrums Karlsruhe umfasst einen200 x 200 m2 großen zentralen Teilmit 250 relativ dicht positioniertenDetektoren, der von 38 weiterenMessstationen umgeben ist, dieauf 0,5 km2 verteilt sind. Damit las-sen sich kosmische Teilchenschau-er im Energiebereich von 1014 eVbis hin zu fast 1018 eV nachweisen.Dieses Intervall ist interessant, weildie Intensitätskurve hier eine be-merkenswerte Änderung aufweist,das so genannte „Knie“ im Ener-giespektrum der kosmischen Strah-lung. Die Daten von KASCADE-Grande zeigen, dass zunächst dieleichten Teilchen (Protonen, He-liumkerne) verloren gehen und erstbei höheren Energien die schwe-reren Kerne bis hin zum Eisen fol-gen: sowohl die Beschleunigungals auch der Verbleib im Magnet-Galaktische kosmischeStrahlung: KASCADE-Grandefeld sind für die höher geladenenPartikel effizienter. Die möglichstgenaue Messung der Energie-spektren für ausgewählte Grup-pen von leichten, mittelschwerenund schweren Kernen ist die zen-trale Aufgabe des KASCADE-Grande-Experiments [3]. Die In-terpretation der Daten erfordertsehr detaillierte und aufwändigeModellrechnungen für die Luft-schauer in Energiebereichen, diefür irdische Beschleuniger nichtzugänglich sind. Die in Karlsruheentwickelten ProgrammpaketeCORSIKA und CONEX sind welt-weit die Standardwerkzeuge dazu.In den letzten Jahren wurden Ra-dioantennen in das KASCADE-Grande-Detektorfeld zum Nach-weis der Radiostrahlung von Luft-schauern im Frequenzbereich biszu 100 MHz integriert. Mit demProjekt LOPES gelang ein tech-nologischer Durchbruch: Luftschau-er sind für wenige Nanosekundendie hellsten Radioblitze am Him-mel, und ihre Messung ist eine vielversprechende Alternative zu denTeilchendetektoren [4]. Die For-schungen dazu werden in Karls-ruhe weitergeführt und auf das Au-ger-Observatorium zu noch weithöheren Teilchenenergien über-tragen.Das Pierre Auger-Observatoriumsoll mit einem neuen Konzept, ko-steneffektiver Technologie und voll-er Himmelsabdeckung Klarheitüber den Ursprung der höchst-energetischen kosmischen Strah-lung schaffen.In der argentinischen Pampa derProvinz Mendoza entsteht seit1999 eine Detektoranlage mit3000 km2 Fläche: 1600 Detektorenim Abstand von 1,5 km weisen die Luftschauer nach, die bei Ener-gien des Primärteilchens oberhalbvon 1018 eV mindestens drei De-tektoren gleichzeitig treffen. Hier-bei kommen Wassertanks mit 12Kubikmeter Reinstwasser zum Ein-satz, die mit Photosensoren dasCherenkovlicht der Schauerteil-chen registrieren. In klaren, dunk-len Nächten werden die Schauergleichzeitig auch optisch beob-achtet: Insgesamt 24 Teleskopean vier Standorten am Rand desDetektorfeldes weisen die Leucht-spur des Stickstoff-Fluoreszenz-lichts nach, das die Teilchen in derLuft anregen. Die Anlage wird imJahr 2007 fertig gestellt sein undDas Pierre-Auger-Observatorium101(101)Abb. 2: Links: Luftschauermessung mit dem Auger-Observatorium: Wassertanks als Cherenkovdetektoren re-gistrieren Schauerteilchen am Erdboden, während elektronische Digitalteleskope die Leuchtspur des in der Luftemittierten Fluoreszenzlichts abbilden. Rechts: stereoskopische Beobachtung eines großen Luftschauerereig-nisses.Teleskop5 10 15 20 25 30 35–35305 310 315 320 325 330302520151050–20 –10 0 10 20 30φ [deg]φ [deg]pixel elevation angle [deg]302520151050pixel elevation angle [deg]40 45Ost [km]Nord [km]5550454035302520151050TeleskopSDP Id 850019 Run 1 Event 687 Eye Id: 1SDP Id 850019 Run 469 Event 197 Eye Id: 4liefert bereits seit Januar 2004 Da-ten von ausgezeichneter Qualität[5]. Die Kalibration, Überwachungund Interpretation ist eine gewal-tige Aufgabe für die internationa-le Auger-Kollaboration, die cirka350 Wissenschaftler und Ingenieu-re aus 17 Ländern umfasst. Derdeutsche Anteil ist mit etwa 20Prozent sehr sichtbar und dasForschungszentrum Karlsruhe leis-tet mit den Universitäten Aachen,Karlsruhe, Siegen und Wuppertalmehrere Schlüsselbeiträge zurTechnologie und Analyse. Es deutet sich an, dass bei denhöchsten Energien ein neues Fen-ster zum Universum geöffnet wer-den könnte, die Teilchenastrono-mie. Protonen mit ultrahohen Ener-gien werden in den intergalakti-schen Magentfeldern nur wenigabgelenkt und können Informatio-nen liefern, die komplementär zuanderen Informationsträgern wieLicht und hochenergetische Gam-mastrahlung sind. Dies ergänztsich hervorragend mit der Neu-trinoastronomie, die derzeit mitdem Detektor IceCube von unse-rem Helmholtzpartner „DESY“ amSüdpol aufgebaut wird. Diese neu-artige Multi-Messenger-Astrono-mie soll in Zukunft weiter ausge-baut werden, unter anderem mitdem Nord-Observatorium, das dieAuger-Kollaboration ab 2008/9 inColorado, USA, mit einer Flächevon 10 000 km2 aufbauen möchte,um den gesamten Himmel im Lich-te kosmischer Strahlung beob-achten zu können.Teilchen-Astronomie102(102)[1] Komitee für Astroteilchenphysik(KAT),http://www.astroteilchenphysik.de [2] M. Boratav, G. Sigl (Ed.), Comptes Rendus Physique 5/4 (2004)417[3] T. Antoni et al., Astropart. Phys. 24 (2005) 1[4] H. Falcke et al. (LOPES Collaboration), Nature 435 (2005) 313[5] J. Abraham et al. (Pierre Auger Collaboration), Nucl. Instrum. Meth. A523 (2004) 50Literatur

Kosmische Strahlung - ein neues Fenster zum Universum

https://publikationen.bibliothek.kit.edu/120066605/3814890

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