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

2. Physikalischer Hintergrund
Primäre Aufgabe des AMS-02 Detektors ist die Vermessung der kosmischen Strahlung. Die
Beobachtung kosmischer Strahlung begann 1912 mit deren Entdeckung durch Viktor Hess.
Dieser untersuchte in einer Reihe von Ballonflügen die Entladungsrate von Elektroskopen
mit der Höhe über der Erdoberfläche. Die Entladung wird dabei durch Stöße mit ionisierenden
Teilchen der Hintergrundstrahlung verursacht, deren Ursprung man im Erdinneren
vermutete. Viktor Hess konnte nachweisen, dass die Entladungsrate als Funktion der Höhe
zunimmt und damit nur eine Quelle ionisierender Teilchen außerhalb der Atmosphäre in
Frage kommt. Konsistente Ergebnisse durch Messungen bei Nacht und Sonnenfinsternissen
schlossen die Sonne als potentielle Quelle aus.
2.1. Kosmische Strahlung
Der Begriff kosmische Strahlung beschreibt eine Teilchenstrahlung über einen breiten Energiebereich,
deren Ursprung im Weltall liegt. Die kosmische Strahlung besteht aus verschiedenartigen
Teilchen, wobei Protonen mit etwa 85% den größten Anteil ausmachen. Außerdem
kommen Heliumkerne mit einem Anteil von etwa 12% vor. Die restlichen 3% bilden
Atomkerne höherer Ladungszahl Z ≥ 3 sowie Elektronen und Positronen [4]. Dabei kommen
alle Kerne schwerer Elemente in der kosmischen Strahlung vor, wie in Abbildung 2.1
gezeigt ist. Dort ist auch die relative Häufigkeit der Elemente im Sonnensystem gezeigt,
welche dem Vorkommen in der kosmischen Strahlung bis auf wenige Ausnahmen auffallend
ähnlich ist. Neben den geladenen Teilchen zählen auch ungeladene Teilchen wie Neutrinos
und Photonen kosmischen Ursprungs zur kosmischen Strahlung. Die Intensität der
kosmischen Strahlung fällt mit der Energie nahezu konstant nach einem Potenzgesetz ab.
Das Spektrum der Hauptbestandteile der kosmischen Strahlung in einem Energiebereich
von 10 MeV bis 10 12 GeV ist in Abbildung 2.2 dargestellt. Dort ist der Teilchenfluss pro
Sekunde und Quadratmeter Fläche eines Raumwinkelelements mit der Energie doppelt logarithmisch
aufgetragen. Dabei wurde der Teilchenfluss noch mit der Energie zum Quadrat
multipliziert und damit abgeflacht. Dies bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit kosmische
Teilchen einer bestimmten Energie zu messen mit der Energie rapide abfällt. Abbildung
2.2 ist außerdem zu entnehmen, dass das Verhältnis von Elektronen zu Protonenfluss die
Größenordung 10 −2 annimmt und damit auf 100 Protonen etwa ein Elektron vorkommt.
Noch seltener sind Positronen, die noch um einen Faktor 10 weniger vorkommen als Elektronen.
Für die Untersuchung der kosmischen Strahlung gibt es zwei Ansätze. Zum einen kann sie
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