Astronomie mit Teilchen

Astronomie mit Teilchen
Vortrag von Florian Gorges

Inhalte:
●
Entstehung von beschleunigten Teilchen im Weltall
●
Kosmische Strahlung
●
Experimente mit kosmischen Teilchen

Entstehung von beschleunigten Teilchen im
Kosmos
●
Zyklotron Mechanismen
●
Schockwellenbeschleunigung (Fermi-Mechanismus 1. Art)
●
Beschleunigung in Magnetwolken(Fermi-Mechanismus 2.Art)
●
Pulsare

Zyklotron Mechanismen
●
Beschleunigung durch Sonnenflecken
●
Temperatur der Sonnenflecken ist niedriger, als die der Umgebung
●
Ein Teil der thermischen Energie geht in magnetische Energie über
Zeitlich veränderliche Magnetfelder
●
Zeitlich veränderliche Magnetfelder beschleunigen Teilchen bis in den
GeV Bereich

Zyklotron Mechanismen
Die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses Φ erzeugt eine
Ringspannung U.

Zyklotron Mechanismen
Φ=∫ B⋅d A=B π R 2
U = −dΦ
dt
=∮ E⋅d s
B∥A
mit ,
erhält ein Teilchen eine Energie von:
E=eU =e π R 2 dB
dt
Hieraus erhält man typische Energien von bis zu 1 GeV

Zyklotron Mechanismen

Schockwellenbeschleunigung (Fermi-
Mechanismus 1.Art)
●
Abstoßende Hülle einer
Supernova stellt eine
Schockwelle gegen
interstellares Medium dar
●
Teilchen gewinnt bei Reflektion
an der Schockfront Energie
●
Unter Berücksichtigung
relativistischer Effekte können
so beschleunigte Teilchen
maximal Energien von etwa
10 14 eV erreichen.

Schockwellenbeschleunigung (Fermi-
Mechanismus 1.Art)

Schockwellenbeschleunigung (Fermi-
Mechanismus 1.Art)

Schockwellenbeschleunigung (Fermi-
Mechanismus 1.Art)

Beschleunigung in Magnetwolken (Fermi-
Mechanismus 2.Art)
●
Teilchen können auch durch Kollisionen
mit Magnetwolken Energie gewinnen
und somit beschleunigt werden.
●
Dieser Beschleunigungsprozess dauert
sehr lange, da u≪ v

●
Im Fall 1 gilt:
●
Im Fall 2 gilt:
●
Im Mittel stellt sich ein
Energiegewinn ein:

Beschleunigung in Magnetwolken (Fermi-
Mechanismus 2.Art)

Pulsare
●
Pulsare sind Reste einer Supernova
●
Neutronenstern
●
Pulsare haben eine sehr hohe Rotationsfrequenz (1 ms, bei 20 km
Durchmesser)
10 15
● Pulsare haben extrem hohe Magnetfelder ( V/m).
●
●
Bei solch hohen Magnetfeldern entstehen elektrische Felder, die die
Teilchen bis auf Energien von eV beschleunigen können.
10 19
Jedoch ist es noch unklar, wie die Pulsare ihre Rotationsenergie in die
Beschleunigung von Teilchen einbringen

Pulsare

Pulsare

Kosmische Strahlung
●
Klassische kosmische Strahlung:
– Primäre Komponente (Auf die Erdatmosphäre einfallende
Strahlung)
– Sekundäre Komponente (Durch Wechselwirkung der primären
Komponente mit der Atmosphäre entstehende Strahlung)
●
Neutrino Strahlung
●
Hoch energetische Photonen (Gamma- und Röntgenstrahlung)
●
Infrarotstrahlung
●
Mikrowellenstrahlung

Primäre kosmische Strahlung
Primäre kosmische Strahlung besteht aus schweren Teilchen
●
Energien bis über eV sind möglich
10 14
10 20
●
Bis ~ eV lässt sich die Zusammensetzung bestimmen:
– Atomkerne (98%)
● Protonen (85%)
● α – Teilchen (12%)
● Elemente mit Z ≥ 3 (3%)
– Elektronen und Positronen (2%)

Spektrum der primären kosmische Strahlung
●
Chemische
Zusammensetzung stimmt
weitgehend mit der des
Sonnensystems überein
●
Abweichungen bei Elementen
unterhalb von
Kohlenstoff/Sauerstoff (Li, Be,
B) und Eisen (Sc, Ti, V, Cr,
Mn), die durch Spallation
(Stoßprozesse bei denen
hoch energetische Teilchen
mit einander verschmelzen)
entstehen

Energiespektrum

Erklärung zur Einheit Steradiant (sr)
Der volle Raumwinkel umfasst 4 π sr, analog zum ebenen Winkel
von 2 π rad für einen Vollkreis.

Nachweis Kosmischer Strahlung
10 14
Bis zu Energien von eV ist der Fluss groß genug, um kosmische
Strahlung in Ballon oder Satelliten-Experimenten zu messen.
Ab 10 14 ev wird der Fluss jedoch zu gering für direkte Messungen.
Man kann die Strahlung jedoch indirekt über Luftschauer (sekundäre
kosmische Strahlung) messen.

Sekundäre kosmische Strahlung
●
Sekundäre Teilchen entsteht durch Wechselwirkung der primären
Strahlung mit der Atmosphäre
●
Zusammensetzung aller Zerfallsprodukte der Kaskade für ein
10 15
eV Proton am Boden:
– 80 % Photonen
– 18 % Elektronen und Positronen
– 1,7 % Myonen
– 0,3 % Hadronen
●
Aus einem 10 15
eV Teilchen entstehen ca. 10 6
Teilchen

Propagation in der Atmosphäre
●
Hoch energetische Kernstöße
erzeugen Pionen und Kaonen
Hadronische Komponente
●
Zerfälle in Myonen, Photonen
und Neutrinos
Pionzerfall:
Myonische Komponente

Propagation in der Atmosphäre
●
Myonen zerfallen in Elektronen und Neutrinos:
●
Photonen erzeugen durch Paarbildung Elektron-Positron Paare
und diese durch Bremsstrahlung wieder Photonen
Elektromagnetische Komponente

Mögliche experimentier Bereiche

Experimente mit kosmischen Teilchen
● Mit Neutrinos (Super-Kamiokande)
● Mit Protonen und schweren Teilchen (Pierre-Auger Observatorium)

Super-Kamiokande
Neutrinos entstehen durch Zerfallsreaktionen von Hadronen in der
oberen Erdatmosphäre.
Myon-Neutrinos:
Elektron–Neutrinos:
Doppelt so viele Myon–Neutrinos, als Elektron-Neutrinos, jedoch
wird ein Verhalten von 1:1 gemessen
Lösung: Neutrino Oszillation

Super-Kamiokande
●
Super-Kamiokande ist ein
Neutrino Detektor
●
Besteht aus Zwei Tanks (außen
18000 l, innen 32000 l)gefüllt mit
reinem Wasser
●
An Innenseite der Tanks sind
11283 Photomultiplier
angebracht
●
Photomultiplier detektiert
Cherenkov-Kegel, der bei
Neutrino Reaktion im Wasser
entsteht

Super-Kamiokande
●
Cherenkov Strahlung entsteht
durch Stöße zwischen
Neutrinos und Neutronen
●
Hierbei ist die
Geschwindigkeit des nun
freien Elektrons größer, als
die Lichtgeschwindigkeit im
Wasser

Super-Kamiokande

Super-Kamiokande

Super-Kamiokande
●
Graphische Darstellung eines
Ereignisses im Super-
Kamiokande
●
Ein Photomultiplier

Daten zum Super-Kamiokande
●
Wasser-Cherenkov Zähler
●
Besteht aus 11283 Photomulipliern
●
50000 Tonnen reines Wasser (32000 Tonnen innen und 18000
außen)
●
1000 Meter unter der Erdoberfläche
●
Energieauflösung: 2,5% bei 1 GeV, 16% bei 10 MeV
●
Minimale Energieauflösung: 5 MeV

Frage: Wo kommen hoch energetische Teilchen
her?

Das Pierre-Auger Observatorium
●
●
Detektor für hoch
energetische kosmische
Strahlung (mehr als eV)
10 20
Ereignisrate für hoch
energetische kosmische
Strahlung sehr niedrig
●
Hybrid Detektor

Das Pierre-Auger Observatorium
●
Zwei Arten der Detektion:
– Cherenkov-Detektor am
Boden
– Messung der Fluoreszenz,
der durch die
Sekundärteilchen
angeregten
Stickstoffmoleküle in der
Luft
●
Systematische Unsicherheiten
werden durch Hybrid Technik
ausgeschlossen und
Präzision verbessert

Das Pierre-Auger Observatorium
●
Cherenkov Detektor
●
Gefüllt mit Wasser
●
Photomultiplier registriert
einfallende Teilchen durch
Cherenkov Kegel im Wasser

Das Pierre-Auger Observatorium
●
Fluoreszenzteleskope sind
über das Versuchsgebiet
gerichtet
●
Beobachten die Fluoreszenz
der durch die
Sekundärteilchen angeregten
Stickstoffmoleküle in der Luft

Das Pierre-Auger Observatorium
Durch die Kombination von Teilchendetektor und Fluoreszenzteleskop ist
die gesamte Entwicklung des Luftschauers bestimmbar und damit die
Bestimmung von:
●
Einfallsrichtung
●
Energie
●
Typ des kosmischen Teilchens

Das Pierre-Auger Observatorium
●
Standort in der Provinz Mendoza in Argentinien
●
3000 km² Fläche
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1600 Cherenkov-Detektoren im Abstand von 1,5 km
●
Je 6 Fluoreszenzteleskope an vier Stellen am Rand des
Detektorfeldes
10 18
●
Energien ab eV
●
Soll 2007 fertig gestellt werden, nimmt aber schon seit November
2004 Daten
●
Zweites Pierre-Auger Observatorium in Colorado geplant

Standort des Pierre-Auger Observatoriums

Astronomie mit Teilchen
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit