IEKP-KA/2013-8 - Institut für Experimentelle Kernphysik - KIT

6 2. Physikalischer Hintergrund
Abbildung 2.1.: Relative Häufigkeit der Elemente in der kosmischen Strahlung als Funktion
ihrer Kernladungszahl Z bei einer Energie von 1 GeV pro Nukleon,
normiert auf Si=100 [3]. Gezeigt ist außerdem die Häufigkeit der Elemente
im Sonnensystem (graue Dreiecke).
direkt mit Satelliten oder Ballonexperimenten im oberen Bereich der Erdatmosphäre gemessen
werden. Dabei können Satellitenexperimente durch ihre relativ hohen Kosten bei
starker Gewichtsbeschränkung und damit relativ kleinen Abmessungen nur für niedrige
Energien bis einige TeV verwendet werden. Sie bieten durch die Abwesenheit von atmosphärischen
Einflüssen allerdings eine optimale Messumgebung. In diesem Bereich misst
auch der AMS-02 Detektor. Wirtschaftlicher sind Ballonexperimente, bei denen ein Teilchendetektor
zum Nachweis geladener Teilchen an einem Ballon auf bis zu 40 km Höhe
an den Rand der Atmosphäre gebracht wird. Allerdings sind Ballonflüge nur über relativ
kurze Zeiträume machbar, was die Menge gemessener Teilchen beschränkt. Außerdem
wird die Messung durch Sekundärteilchen aus Wechselwirkungen in der über dem Detektor
liegenden Atmosphäre verfälscht. Ballonexperimente wie das High Energy Antimatter Telescope
(HEAT), das am 3. Mai 1994 seinen ersten Flug über 29 Stunden auf 36, 5 − 33 km
Höhe absolvierte, bieten eine gute Möglichkeit kosmische Teilchen bis zu Energien im PeV
Bereich zu Messen. HEAT war dabei mit einem Flugzeitdetektor, einem Übergangsstrahlungsdetekor,
einem Spurdetektor aus Driftkammern innerhalb eines Magneten und einem
elektromagnetischen Kalorimeter ausgerüstet. In Abbildung 2.3 ist eine Skizze des HEAT
Detektors, sowie ein Foto des Ballons im oberen Teil der Atmosphäre beim Erstflug zu sehen.
Messungen von Teilchen höherer Energie werden indirekt über Wechselwirkungen der
Teilchen mit der Materie der Erdatmosphäre durchgeführt. Dabei werden geeignete Detektoren
über eine große Fläche verteilt aufgestellt. Trifft ein Kern der kosmischen Strahlung
auf Atome aus der Luft in der Erdatmosphäre, bildet sich ein hadronischer Schauer aus.
Dieser setzt sich kaskadenartig zur Erdoberfläche fort. Hier können die entstandenen Sekundärteilchen
nahezu gleichzeitig gemessen werden und aus ihrer Energie und Verteilung,
sowie deren Zusammensetzung das primäre Teilchen rekonstruiert werden. Gleiches gilt für
Elektronen und Photonen, wobei sich hier ein elektromagnetischer Schauer ausbildet, der
vom hadronsichen unterschieden werden kann. Ein Nachteil dieser Methode ist ihre hohe
Komplexität in der Schauerrekonstruktion. Außerdem kann keine Aussage über das Ladungsvorzeichen
eines Teilchens gemacht werden, so dass Teilchen von deren Antiteilchen
nicht unterschieden werden können. Experimente dieser Art sind der ehemalige Karlsruhe
Shower Core and Array Detector (KASCADE) am Campus Nord des Karlsruhe Institut
für Technologie, sowie das Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien, das mit 1600
Tscherenkow Detektoren, wie in Abbildung 2.4 rechts gezeigt, eine Fläche von 3000 km 2
abdeckt. Eine weitere Möglichkeit der indirekten Messung besteht darin den Luftschauer
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