Astronomie mit Teilchen
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<strong>Astronomie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Teilchen</strong><br />
Vortrag von Florian Gorges
Inhalte:<br />
●<br />
Entstehung von beschleunigten <strong>Teilchen</strong> im Weltall<br />
●<br />
Kosmische Strahlung<br />
●<br />
Experimente <strong>mit</strong> kosmischen <strong>Teilchen</strong>
Entstehung von beschleunigten <strong>Teilchen</strong> im<br />
Kosmos<br />
●<br />
Zyklotron Mechanismen<br />
●<br />
Schockwellenbeschleunigung (Fermi-Mechanismus 1. Art)<br />
●<br />
Beschleunigung in Magnetwolken(Fermi-Mechanismus 2.Art)<br />
●<br />
Pulsare
Zyklotron Mechanismen<br />
●<br />
Beschleunigung durch Sonnenflecken<br />
●<br />
Temperatur der Sonnenflecken ist niedriger, als die der Umgebung<br />
●<br />
Ein Teil der thermischen Energie geht in magnetische Energie über<br />
<br />
Zeitlich veränderliche Magnetfelder<br />
●<br />
Zeitlich veränderliche Magnetfelder beschleunigen <strong>Teilchen</strong> bis in den<br />
GeV Bereich
Zyklotron Mechanismen<br />
Die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses Φ erzeugt eine<br />
Ringspannung U.
Zyklotron Mechanismen<br />
Φ=∫ B⋅d A=B π R 2<br />
U = −dΦ<br />
dt<br />
=∮ E⋅d s<br />
B∥A<br />
<strong>mit</strong> ,<br />
erhält ein <strong>Teilchen</strong> eine Energie von:<br />
E=eU =e π R 2 dB<br />
dt<br />
Hieraus erhält man typische Energien von bis zu 1 GeV
Zyklotron Mechanismen
Schockwellenbeschleunigung (Fermi-<br />
Mechanismus 1.Art)<br />
●<br />
Abstoßende Hülle einer<br />
Supernova stellt eine<br />
Schockwelle gegen<br />
interstellares Medium dar<br />
●<br />
<strong>Teilchen</strong> gewinnt bei Reflektion<br />
an der Schockfront Energie<br />
●<br />
Unter Berücksichtigung<br />
relativistischer Effekte können<br />
so beschleunigte <strong>Teilchen</strong><br />
maximal Energien von etwa<br />
10 14 eV erreichen.
Schockwellenbeschleunigung (Fermi-<br />
Mechanismus 1.Art)
Schockwellenbeschleunigung (Fermi-<br />
Mechanismus 1.Art)
Schockwellenbeschleunigung (Fermi-<br />
Mechanismus 1.Art)
Beschleunigung in Magnetwolken (Fermi-<br />
Mechanismus 2.Art)<br />
●<br />
<strong>Teilchen</strong> können auch durch Kollisionen<br />
<strong>mit</strong> Magnetwolken Energie gewinnen<br />
und so<strong>mit</strong> beschleunigt werden.<br />
●<br />
Dieser Beschleunigungsprozess dauert<br />
sehr lange, da u≪ v
●<br />
Im Fall 1 gilt:<br />
●<br />
Im Fall 2 gilt:<br />
●<br />
Im Mittel stellt sich ein<br />
Energiegewinn ein:
Beschleunigung in Magnetwolken (Fermi-<br />
Mechanismus 2.Art)
Pulsare<br />
●<br />
Pulsare sind Reste einer Supernova<br />
●<br />
Neutronenstern<br />
●<br />
Pulsare haben eine sehr hohe Rotationsfrequenz (1 ms, bei 20 km<br />
Durchmesser)<br />
10 15<br />
● Pulsare haben extrem hohe Magnetfelder ( V/m).<br />
●<br />
●<br />
Bei solch hohen Magnetfeldern entstehen elektrische Felder, die die<br />
<strong>Teilchen</strong> bis auf Energien von eV beschleunigen können.<br />
10 19<br />
Jedoch ist es noch unklar, wie die Pulsare ihre Rotationsenergie in die<br />
Beschleunigung von <strong>Teilchen</strong> einbringen
Pulsare
Pulsare
Kosmische Strahlung<br />
●<br />
Klassische kosmische Strahlung:<br />
– Primäre Komponente (Auf die Erdatmosphäre einfallende<br />
Strahlung)<br />
– Sekundäre Komponente (Durch Wechselwirkung der primären<br />
Komponente <strong>mit</strong> der Atmosphäre entstehende Strahlung)<br />
●<br />
Neutrino Strahlung<br />
●<br />
Hoch energetische Photonen (Gamma- und Röntgenstrahlung)<br />
●<br />
Infrarotstrahlung<br />
●<br />
Mikrowellenstrahlung
Primäre kosmische Strahlung<br />
Primäre kosmische Strahlung besteht aus schweren <strong>Teilchen</strong><br />
●<br />
Energien bis über eV sind möglich<br />
10 14<br />
10 20<br />
●<br />
Bis ~ eV lässt sich die Zusammensetzung bestimmen:<br />
– Atomkerne (98%)<br />
● Protonen (85%)<br />
● α – <strong>Teilchen</strong> (12%)<br />
● Elemente <strong>mit</strong> Z ≥ 3 (3%)<br />
– Elektronen und Positronen (2%)
Spektrum der primären kosmische Strahlung<br />
●<br />
Chemische<br />
Zusammensetzung stimmt<br />
weitgehend <strong>mit</strong> der des<br />
Sonnensystems überein<br />
●<br />
Abweichungen bei Elementen<br />
unterhalb von<br />
Kohlenstoff/Sauerstoff (Li, Be,<br />
B) und Eisen (Sc, Ti, V, Cr,<br />
Mn), die durch Spallation<br />
(Stoßprozesse bei denen<br />
hoch energetische <strong>Teilchen</strong><br />
<strong>mit</strong> einander verschmelzen)<br />
entstehen
Energiespektrum
Erklärung zur Einheit Steradiant (sr)<br />
Der volle Raumwinkel umfasst 4 π sr, analog zum ebenen Winkel<br />
von 2 π rad für einen Vollkreis.
Nachweis Kosmischer Strahlung<br />
10 14<br />
Bis zu Energien von eV ist der Fluss groß genug, um kosmische<br />
Strahlung in Ballon oder Satelliten-Experimenten zu messen.<br />
Ab 10 14 ev wird der Fluss jedoch zu gering für direkte Messungen.<br />
Man kann die Strahlung jedoch indirekt über Luftschauer (sekundäre<br />
kosmische Strahlung) messen.
Sekundäre kosmische Strahlung<br />
●<br />
Sekundäre <strong>Teilchen</strong> entsteht durch Wechselwirkung der primären<br />
Strahlung <strong>mit</strong> der Atmosphäre<br />
●<br />
Zusammensetzung aller Zerfallsprodukte der Kaskade für ein<br />
10 15<br />
eV Proton am Boden:<br />
– 80 % Photonen<br />
– 18 % Elektronen und Positronen<br />
– 1,7 % Myonen<br />
– 0,3 % Hadronen<br />
●<br />
Aus einem 10 15<br />
eV <strong>Teilchen</strong> entstehen ca. 10 6<br />
<strong>Teilchen</strong>
Propagation in der Atmosphäre<br />
●<br />
Hoch energetische Kernstöße<br />
erzeugen Pionen und Kaonen<br />
<br />
Hadronische Komponente<br />
●<br />
Zerfälle in Myonen, Photonen<br />
und Neutrinos<br />
Pionzerfall:<br />
<br />
Myonische Komponente
Propagation in der Atmosphäre<br />
●<br />
Myonen zerfallen in Elektronen und Neutrinos:<br />
●<br />
Photonen erzeugen durch Paarbildung Elektron-Positron Paare<br />
und diese durch Bremsstrahlung wieder Photonen<br />
<br />
Elektromagnetische Komponente
Mögliche experimentier Bereiche
Experimente <strong>mit</strong> kosmischen <strong>Teilchen</strong><br />
● Mit Neutrinos (Super-Kamiokande)<br />
● Mit Protonen und schweren <strong>Teilchen</strong> (Pierre-Auger Observatorium)
Super-Kamiokande<br />
Neutrinos entstehen durch Zerfallsreaktionen von Hadronen in der<br />
oberen Erdatmosphäre.<br />
Myon-Neutrinos:<br />
Elektron–Neutrinos:<br />
<br />
Doppelt so viele Myon–Neutrinos, als Elektron-Neutrinos, jedoch<br />
wird ein Verhalten von 1:1 gemessen<br />
Lösung: Neutrino Oszillation
Super-Kamiokande<br />
●<br />
Super-Kamiokande ist ein<br />
Neutrino Detektor<br />
●<br />
Besteht aus Zwei Tanks (außen<br />
18000 l, innen 32000 l)gefüllt <strong>mit</strong><br />
reinem Wasser<br />
●<br />
An Innenseite der Tanks sind<br />
11283 Photomultiplier<br />
angebracht<br />
●<br />
Photomultiplier detektiert<br />
Cherenkov-Kegel, der bei<br />
Neutrino Reaktion im Wasser<br />
entsteht
Super-Kamiokande<br />
●<br />
Cherenkov Strahlung entsteht<br />
durch Stöße zwischen<br />
Neutrinos und Neutronen<br />
●<br />
Hierbei ist die<br />
Geschwindigkeit des nun<br />
freien Elektrons größer, als<br />
die Lichtgeschwindigkeit im<br />
Wasser
Super-Kamiokande
Super-Kamiokande
Super-Kamiokande<br />
●<br />
Graphische Darstellung eines<br />
Ereignisses im Super-<br />
Kamiokande<br />
●<br />
Ein Photomultiplier
Daten zum Super-Kamiokande<br />
●<br />
Wasser-Cherenkov Zähler<br />
●<br />
Besteht aus 11283 Photomulipliern<br />
●<br />
50000 Tonnen reines Wasser (32000 Tonnen innen und 18000<br />
außen)<br />
●<br />
1000 Meter unter der Erdoberfläche<br />
●<br />
Energieauflösung: 2,5% bei 1 GeV, 16% bei 10 MeV<br />
●<br />
Minimale Energieauflösung: 5 MeV
Frage: Wo kommen hoch energetische <strong>Teilchen</strong><br />
her?
Das Pierre-Auger Observatorium<br />
●<br />
●<br />
Detektor für hoch<br />
energetische kosmische<br />
Strahlung (mehr als eV)<br />
10 20<br />
Ereignisrate für hoch<br />
energetische kosmische<br />
Strahlung sehr niedrig<br />
●<br />
Hybrid Detektor
Das Pierre-Auger Observatorium<br />
●<br />
Zwei Arten der Detektion:<br />
– Cherenkov-Detektor am<br />
Boden<br />
– Messung der Fluoreszenz,<br />
der durch die<br />
Sekundärteilchen<br />
angeregten<br />
Stickstoffmoleküle in der<br />
Luft<br />
●<br />
Systematische Unsicherheiten<br />
werden durch Hybrid Technik<br />
ausgeschlossen und<br />
Präzision verbessert
Das Pierre-Auger Observatorium<br />
●<br />
Cherenkov Detektor<br />
●<br />
Gefüllt <strong>mit</strong> Wasser<br />
●<br />
Photomultiplier registriert<br />
einfallende <strong>Teilchen</strong> durch<br />
Cherenkov Kegel im Wasser
Das Pierre-Auger Observatorium<br />
●<br />
Fluoreszenzteleskope sind<br />
über das Versuchsgebiet<br />
gerichtet<br />
●<br />
Beobachten die Fluoreszenz<br />
der durch die<br />
Sekundärteilchen angeregten<br />
Stickstoffmoleküle in der Luft
Das Pierre-Auger Observatorium<br />
Durch die Kombination von <strong>Teilchen</strong>detektor und Fluoreszenzteleskop ist<br />
die gesamte Entwicklung des Luftschauers bestimmbar und da<strong>mit</strong> die<br />
Bestimmung von:<br />
●<br />
Einfallsrichtung<br />
●<br />
Energie<br />
●<br />
Typ des kosmischen <strong>Teilchen</strong>s
Das Pierre-Auger Observatorium<br />
●<br />
Standort in der Provinz Mendoza in Argentinien<br />
●<br />
3000 km² Fläche<br />
●<br />
1600 Cherenkov-Detektoren im Abstand von 1,5 km<br />
●<br />
Je 6 Fluoreszenzteleskope an vier Stellen am Rand des<br />
Detektorfeldes<br />
10 18<br />
●<br />
Energien ab eV<br />
●<br />
Soll 2007 fertig gestellt werden, nimmt aber schon seit November<br />
2004 Daten<br />
●<br />
Zweites Pierre-Auger Observatorium in Colorado geplant
Standort des Pierre-Auger Observatoriums
<strong>Astronomie</strong> <strong>mit</strong> <strong>Teilchen</strong><br />
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit