Hochenergetische Teilchen als Boten aus dem Kosmos
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- Mareke Kopp
- vor 6 Jahren
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1 Hochenergetische Teilchen als Boten aus dem Kosmos Astroteilchenphysik von den Anfängen bis heute - Das Pierre Auger Observatorium Institut für Kernphysik KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Großforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
2 Astroteilchenphysik Astrophysik Kosmologie Teilchenphysik 2 Dr. B. Keilhauer
3 Kosmische Strahlung Elementare Teilchen aus dem Weltall haben teilweise sehr hohe Energien Beginn der Geschichte um wurde die Radioaktivität von H. Becquerel und M. + P. Curie entdeckt Gemeinsamer Nobelpreis Dr. B. Keilhauer
4 Kosmische Strahlung 1909, Th. Wulf misst die -Strahlung in der Luft an verschiedenen Orten mit einem Elektrometer Strahlung aus der oberen Erdschicht Intensität muss mit zunehmender Höhe abnehmen 4 Dr. B. Keilhauer
5 Kosmische Strahlung 1912, V. F. Hess unternimmt Ballon-Flüge zur Erforschung der Strahlung 5 Dr. B. Keilhauer
6 Damalige Kenntnisse 1896 Entdeckung der Radioaktivität (α-, β-, -Strahlung) 1911 E. Rutherford Streuversuch - Atomradius 10-9 m - Atomkernradius m bis Ende 1920er: e -, p und Photon als Elementarteilchen bekannt Entdeckung vieler neuer Teilchen in der kosmischen Strahlung Geburtsstunde der Elementarteilchenphysik 6 Dr. B. Keilhauer
7 Erste Beispiele 1932 Entdeckung des Neutrons n (Nobelpreis 1935 an J. Chadwick) 1933 Entdeckung des Positrons e + (Nobelpreis 1936 an C. Anderson) 7 Dr. B. Keilhauer
8 8 Dr. B. Keilhauer
9 Daraus entstehende Fachrichtungen Atomphysik Atomkern wird von Elektronen auf Orbitalen umkreist Elektronen sind punktförmig und negativ geladen Atomkern ist positiv Atom ist nach außen elektrisch neutral 9 Dr. B. Keilhauer
10 Daraus entstehende Fachrichtungen Kernphysik Atomkern besteht aus Nukleonen = Kernbausteinen - positive Protonen (p) - neutrale Neutronen (n) 10-9 m m m Molekül Atom Atomkern 10 Dr. B. Keilhauer
11 Daraus entstehende Fachrichtungen Teilchenphysik Nukleonen bestehen aus Quarks Protonen und Neutronen bestehen aus 3 Quarks 11 Dr. B. Keilhauer
12 Daraus entstehende Fachrichtungen Teilchenphysik Nukleonen bestehen aus Quarks Protonen und Neutronen bestehen aus 3 Quarks m m kleiner als m Atomkern Neutron (oder Proton) Quark 12 Dr. B. Keilhauer
13 Weiterentwicklung der kosmischen Strahlung nicht nur Photonen, sondern auch Teilchen wie e - werden als kosmische Strahlung beobachtet Teilchen haben sehr hohe Energie können selbst mehrere Metallplatten durchdringen 13 Dr. B. Keilhauer
14 Koinzidenz-Messungen am Jungfraujoch π (1938) + 0 π π + e D1 D2 e + e Verantwortlicher dieser Messungen + war Pierre Auger e e ca. 20 cm ν ε e ν μ e + μ + e + ν μ π + π + μ + ν μ e + π + 0 π e + μ + ν μ e variiert zwischen 15 e cm und 75 m 0 p μ + ν μ π + π + π + μ + ν μ e + e + e 0 π π + π + 0 π e μ + e e π + π + 0 π ν μ e + e e + e e e + e + e e + e D3 14 Dr. B. Keilhauer
15 Koinzidenz-Messungen am Jungfraujoch (1938) 15 Dr. B. Keilhauer
16 Ausgedehnte Luftschauer p Höhe (km) n p + µ - e + e - e + e - e - e + p - n + µ + 15 e + - e - n µ - p n p e + e - - e - Elektromagnetische hadronische myonische Schauerkomponente 16 Dr. B. Keilhauer 0
17 Fundamentale Fragen der Astroteilchenphysik 1. Woraus besteht das Universum? Insbesondere: Was ist Dunkle Materie? 2. Haben Protonen eine endliche Lebensdauer? 3. Was sind die Eigenschaften der Neutrinos? Was ist ihre Rolle bei der kosmologischen Entwicklung? 4. Was erzählen uns die Neutrinos über das Innere in der Sonne und in der Erde und was über Supernova Explosionen? 5. Was ist die Herkunft der kosmischen Strahlung? Wie sieht der Himmel bei den extrem hohen Energien aus? 6. Was werden uns Gravitationswellen über gewaltige kosmologische Prozesse erzählen und über die Natur der Gravitation selbst? 17 Dr. B. Keilhauer
18 Das Spektrum der kosmischen Strahlung Fluß (m² sr s GeV) -1 1 Teilchen pro m 2 sec klassisch: geladene, völlig ionisierte Atomkerne Knie 1 Teilchen pro m 2 Jahr rund 85% Protonen und 12% Heliumkerne Knöchel 1 Teilchen pro km 2 Jahrhundert 18 Dr. B. Keilhauer S. Swordy, U Chicago Energie (ev)
19 Das Spektrum der kosmischen Strahlung Fluß (m² sr s GeV) -1 1 Teilchen pro m 2 sec 1 ev = 1, J = 1, Ws = 1, erg ev = 10 3 ev = kev ev = 10 6 ev = MeV direkte Messungen KASCADE Grande Knie 1 Teilchen pro m 2 Jahr P. Auger Observatorium Knöchel 1 Teilchen pro km 2 Jahrhundert 19 Dr. B. Keilhauer S. Swordy, U Chicago Energie (ev)
20 Das Spektrum der kosmischen Strahlung Fluß (m² sr s GeV) -1 klassisch: geladene, völlig ionisierte Atomkerne rund 85% Protonen und 12% Heliumkerne Extragalaktischer Ursprung Galaktischer Ursprung 20 Dr. B. Keilhauer S. Swordy, U Chicago Energie (ev)
21 Beschleunigung in den Schockfronten von Supernova Überresten Das Spektrum der kosmischen Strahlung Fluß (m² sr s GeV) -1 klassisch: geladene, völlig ionisierte Atomkerne rund 85% Protonen und 12% Heliumkerne Extragalaktischer Ursprung Galaktischer Ursprung 21 Dr. B. Keilhauer S. Swordy, U Chicago Energie (ev)
22 KASCADE KArlsruhe Shower Core and Array DEtector 22 Dr. B. Keilhauer
23 KASCADE KArlsruhe Shower Core and Array DEtector 23 Dr. B. Keilhauer
24 Energie-Spektrum Fluß (m² sr s GeV) Dr. B. Keilhauer S. Swordy, U Chicago Energie (ev)
25 KASCADE Grande 25 Dr. B. Keilhauer
26 KASCADE-Grande Ergebnisse 26 Dr. B. Keilhauer
27 Energie-Spektrum Fluß (m² sr s GeV) Dr. B. Keilhauer S. Swordy, U Chicago Energie (ev)
28 Beschleunigung in den Schockfronten von Supernova Überresten Das Spektrum der kosmischen Strahlung Fluß (m² sr s GeV) -1 klassisch: geladene, völlig ionisierte Atomkerne rund 85% Protonen und 12% Heliumkerne Galaktischer Ursprung 28 Dr. B. Keilhauer S. Swordy, U Chicago Energie (ev)
29 Fluß (m² sr s GeV) -1 Was passiert in fernen Galaxien? Extragalaktischer Ursprung Galaktischer Ursprung Extra-galaktischer Ursprung 29 Dr. B. Keilhauer S. Swordy, U Chicago Energie (ev)
30 Kosmische Strahlung bei den höchsten Energien 1 Teilchen pro km² und Jahrhundert 30 Dr. B. Keilhauer
31 Das Pierre Auger Observatorium 60 km 31
32 Das Pierre Auger Observatorium Bodensee 60 km 32
33 Hybrid-Detektionstechnik 33 Dr. B. Keilhauer
34 34 Dr. B. Keilhauer
35 Wasser-Cherenkov-Tank Comunication Solar Panel GPS PMT PMT Depth of water 1.2 m PMT Sack of TYVEK 3,40 m 35 Dr. B. Keilhauer
36 Fluoreszenz-Teleskop Station Los Leones 36 Dr. B. Keilhauer
37 Auger Fluoreszenz Detektoren 6 Teleskope in einer Station 6 x ( 30 x 28.6 Blickwinkel) 4 Stationen am Rand des Detektorfeldes Los Leones Coihueco 37 Dr. B. Keilhauer
38 Fluoreszenz Detektor 38 Dr. B. Keilhauer
39 Fluoreszenz Detektor 440 Photomultiplier in einer Kamera kann nur in den Nächten 1 Woche vor und nach Neumond arbeiten 39 Dr. B. Keilhauer
40 Gemessenes Ereignis im Fluoreszenz Detektor 40 Dr. B. Keilhauer R. Engel, KIT
41 Warum Hybrid-Detektionstechnik? Oberflächen-Detektoren 100 % Messzeit Akzeptanz = geometrisch nur letzte Phase der Schauerentwicklung beobachtbar Energie-Skala modell-abhängig Fluoreszenz-Detektoren 15 % Messzeit Akzeptanz abhängig von Abstand und Atmosphäre Beobachtung der longitudinalen Entwicklung (nahezu) modell-unabhängig 41 Dr. B. Keilhauer
42 Auger-Messdaten 42 Dr. B. Keilhauer
43 Auger-Messdaten y [km] 50 Array-Ausschnitt )] 2 de/dx [PeV/(g/cm Longitudinalprofil der Fluoreszenz-Detektoren Dr. B. Keilhauer slant depth [g/cm 2 ] Signal [VEM] x [km] χ 2 /Ndf: 10.1/ 13 candidates silent Lateralprofil der Oberflächen- Detektoren r [m]
44 Energie-Kalibration Energie- Schätzer vom Oberflächendetektor 839 events Energie vom Fluoreszenzdetektor 44 Dr. B. Keilhauer
45 Energie-Spektrum gemessen von Auger- Oberflächen-Dektoren Fluß (m² sr s GeV) Dr. B. Keilhauer S. Swordy, U Chicago Energie (ev)
46 SD Fluß (m² sr s GeV) -1 Hybrid 46 Dr. B. Keilhauer S. Swordy, U Chicago Energie (ev)
47 GZK-Effekt ν NASA / WMAP Science Team 47 Dr. B. Keilhauer
48 GZK-Effekt 48 Dr. B. Keilhauer
49 Obergrenzen des Photon-Flusses 49 Dr. B. Keilhauer
50 Element-Zusammensetzung 50 Dr. B. Keilhauer
51 Proton-Luft-Wirkungsquerschnitt 51 Dr. B. Keilhauer
52 Zum Mitnehmen Experiment zur Untersuchung der höchstenergetischen kosmischen Strahlung Kosmische Strahlung als Boten aus dem All mit Informationen aus fernen Galaxien Pierre-Auger-Observatorium liefert Daten mit bisher unerreichter Präzision 52 Dr. B. Keilhauer
53 Bienvenidos al Observatorio Pierre Auger en Malargüe, Argentina 53 B. Keilhauer
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