Astroteilchenphysik I

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1 Astroteilchenphysik I Wintersemester 2015/16 Vorlesung # 3, Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik Experimentelle Techniken - Luftschauer-Prozesse Einführung elektromagnetische Kaskaden, Myonen & Hadronen Querverbindungen Schauerparameter KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 Multimessenger-Methoden hochenergetische Neutrinos (Atmosphäre) n Myonen g CR >500 Quellen > 10 GeV 27 UHECRs > 60 EeV G. Drexlin VL03

3 Flussdichte [m -2 sr -1 s -1 GeV -1 ] hochenergetische Schauer Raten Häufigkeit Primärteilchen: 10 2 E = ev (V. Hess) 1 Ereignis / m 2 / s E = ev (P. Auger) 1 Ereignis / m 2 / a E = ev (D. Linsley) 1 Ereignis / km 2 / a Power Law Hess Auger große Luftschauer- Arrays (>10 13 ev) Satelliten (<10 14 ev) Linsley Energie [ev] G. Drexlin VL03

4 relative Häufigkeit Luftschauer - Primärteilchen Zusammensetzung der primäre kosmische Strahlung: - 86 % Protonen, 11% Alpha-Teilchen, 1% schwere Kerne, 2% Elektronen - Elementhäufigkeit entspricht nahezu der solaren Verteilung C O Kosm. Strahlung Sonnensystem Fe Spallation von C-12 Ordnungszahl G. Drexlin VL03

5 Anzahl dn/e [GeV -1 m -2 s -1 sr -1 ] Chemische Zusammensetzung der CR ~gleicher Index direkte Messungen (Ballonexperim.) - ALICE: Messung von 16 O bis 56 Fe p = 1 GeV/c Ladung Z - ISOMAX: Trennung von 3 He / 4 He ß Flugzeit E kin [MeV/Nukleon] R = p c / Z e kinetische Energie pro Teilchen (Kern) [GeV] G. Drexlin VL03 Rigidität R [GeV/c]

6 Luftschauer: Grundlagen & Experimente Luftschauer: entstehen durch Wechselwirkung eines primären hochenergetischen Teilchens in der oberen Atmosphäre, dann sekundäre Teilchen via Kaskaden-/Zerfalls-Prozesse (3 Komponenten) elektromagnetische Komponente - Elektronen, Positronen & Photonen - Kaskadenprozesse, weich myonische Komponente - µ + /µ - mit großer Durchdringungskraft - harte Komponente hadronische Komponente - Hadronen: p, n, Pionen p ±, Kaonen K ± - hohe Ionisationsrate de/dx G. Drexlin VL03

7 Entwicklung eines Luftschauers Modellierung der Teilchenwechselwirkungen in der Atmosphäre ist entscheidend experimentelle Daten für Entwicklung eines Schauers aus Hochenergiephysik Myonen Hadronen G. Drexlin VL03

8 Entwicklung eines Luftschauers Modellierung: Kernwechselwirkungen, Teilchenzerfälle, elektromagnetische Wechselwirkungen, Reaktions-Kinematik Pion-Kern Reaktion g p 16 O 14 N 14 N Primärteilchen (ionisierter Kern) erste Wechselwirkung e p µ n Pionzerfall zweite Wechselwirkung vollständig ionisierter Kern oder Proton µ p p 16 O n G. Drexlin VL03

9 Jets & Schauer an Beschleunigern Methodische Querverbindungen: Teilchen- und Astroteilchenphysik Schauer am LHC-Beschleuniger - Beschleuniger: Protonen bis 7 TeV (exakt bekannt) - Abdeckung in einer 4p-Geometrie Schauer durch AGN-Beschleuniger - Beschleuniger: Protonen bis ev oder Kerne (Primärteilchen ist unbekannt) - Abdeckung nur in enger Vorwärtsrichtung G. Drexlin VL03

10 Jets & Schauer an Beschleunigern Methodische Querverbindungen: Teilchen- und Astroteilchenphysik Schauer am LHC-Beschleuniger Beschleuniger: - sehr hohe Luminosität - bekannte Zeitstruktur Schauer durch AGN-Beschleuniger Beschleuniger: - sehr niedrige Luminosität - unbekannte Zeitstruktur Proton 7 TeV ECAL Collider Experiment 4p Geometrie Detektor 7 TeV Proton ev Proton Kern Fixed Target Experiment Detektor Target (Atmosphäre) G. Drexlin VL03

11 Elektromagnetische Komponente Elektromagnetische Kaskadenprozesse: primäre Teilchen - Elektronen (aus p ± e ± n e ) und Gammas (aus p 0 gg) ~98% aller Teilchen einer Kaskade: Elektronen & Photonen 80 GeV e- Absorber Paarbildung Elektronen Bremsstrahlung Strahlungslänge Paarbildung g e + + e - Bremsstrahlung e ± e ± + g G. Drexlin VL03

12 Paarbildung wichtige Parameter Wirkungsquerschnitt für Paarbildung: Schwellenergie E g,thresh ~ 2 m e = 1.02 MeV [ + O(m e2 /M Kern ) ] paar 9 X 7 0 Paarbildung (e ±, g) Paarbildung Elektronen g e + Kern e G. Drexlin VL03

13 Paarbildung und Gamma-Astronomie Paarbildung: Kinematik erfordert Impulstransfer an Kern (hohes Z) - Absorption des Rückstoßes kann nicht im Vakuum erfolgen (daher Gamma-Astronomie!) Paarbildung (e ±, g) Paarbildung Propagation über Mpc Gamma Ray Burst g e + Kern e - Atmosphäre G. Drexlin VL03

14 Bremsstrahlung wichtige Parameter Bremsstrahlungsverluste: - nehmen linear mit der Energie E zu de dx brems 1 X 0 E Bremsstrahlung (e ±, g) Kern - nur wichtig für leichte Teilchen (e - e + ), da e - e - Elektronen s Brems ~ 1/m 2 Beispiel: Myon-Elektron Verhältnis de/dx (µ/e) ~ ( m e / m µ ) g G. Drexlin VL03

15 Elektromagnetische Komponente Elektromagnetische Kaskadenprozesse: Erdatmosphäre wirkt als massiver Absorber für elektromagnetische Komponente ~80%-95% der Primärenergie wird in Ionisationsenergie umgewandelt 1 Strahlungslänge X 0 - typische Längenskala, nach der bei hochenergetischen Elektronen Elektronen X ihre Energie auf 1/e abgefallen ist durch Emission von Bremsstrahlung E( x) E 0 e hochenergetischen Photonen X - 7/9 der mittleren freien Weglänge für Paarbildung erreicht ist X 0 X paar G. Drexlin VL03

16 Höhe [km] Elektromagnetische Komponente Elektromagnetische Kaskadenprozesse: Erdatmosphäre entspricht einem elektromagnetischen Kalorimeter mit ~ 25 X 0 Schauerentwicklung abhängig von atmosphärischen Parametern Elektronen X 0 20 X 0 = 304,2 m G. Drexlin VL03 25 P [mbar]

17 atmosphärische Tiefe [g/cm 2 ] X max ~ ln(e 0 /A) Elektromagnetische Komponente Schauerentwicklung: Erdatmosphäre wirkt als massiver Absorber bis zu Teilchen - Schauermaximum X max X 0 Schauergröße N e Elektronen N e (max) ~ E Meereshöhe vertikale Schauer G. Drexlin VL Meereshöhe Schauer unter 30

18 Schauergröße Elektromagnetische Komponente Schauerentwicklung: Erdatmosphäre wirkt als massiver Absorber - Primärenergien < ev erreichen nicht den Erdboden - Lage des Schauermaximums Höhe [km] X max ist energieabhängig ev ev ev ev Elektronen ev ev ev ev ev atmosphärische Tiefe [X 0 ] G. Drexlin VL03

19 Kalorimetrie an Beschleunigern Methodische Querverbindungen: Teilchen- und Astroteilchenphysik ECAL am LHC-Beschleuniger Beschleuniger Protonen bis 7 TeV ECAL ~20 X 0 ECAL am AGN-Beschleuniger Beschleuniger Protonen bis ev Atmosphäre 1000 g/cm 2 ECAL ~30 X PbWO 4 X 0 = 0.89 cm X 0 = 300 m (am Boden) G. Drexlin VL03

20 g 2.2 µs Myonische Komponente Myonen ( Cosmics ): - Flussdichte in Meereshöhe df/da = 100 m -2 s -1 - Ladungsverhältnis µ + / µ - = Gesamtanteil an Sekundärteilchen: ~ 1.7% Myonen - Lebensdauer t = g 2.2 µs - Energieverlust de/dx ~ 2 MeV/cm (H 2 O) minimal ionisierende Teilchen (m.i.p.s) - durchdringende Komponente auch nach massiver Abschirmung Myonen Sanford Underground Lab G. Drexlin VL03

21 Myonen an Beschleunigern Methodische Querverbindungen: Teilchen- und Astroteilchenphysik Myonen vom LHC-Beschleuniger Myonen von kosm. Beschleunigern Beschleuniger Protonen bis 7 TeV 1400 Myonkammern im Rückflussjoch Beschleuniger Protonen bis ev Myonabschirmung im Untergrundlabor Detektor G. Drexlin VL03

22 Hadronische Komponente Hadronen: Protonen, Neutronen, Pionen, Kaonen, (0.3% Anteil) lokalisiert im Schauerkern, Erdatmosphäre entspricht ~ 11 hadronischen Wechselwirkungslängen 1 Hadronische Wechselwirkungen G. Drexlin VL03 Hadronen 11 - hadronische Wechselwirkungslänge = mittlere Länge für inelastische Streuung 1 s n in [g cm -2 ] bzw. [cm] s: Kern-Wirkungsquerschnitt n: Anzahl der Streuzentren - ist wesentlich größer als X 0

23 Hadronen an Beschleunigern Methodische Querverbindungen: Teilchen- und Astroteilchenphysik HCAL am LHC-Beschleuniger HCAL für kosm. Beschleuniger Beschleuniger Protonen bis 7 TeV Beschleuniger Protonen bis ev Fe-Hadron-(Sampling) Kalorimeter - Eisen: = 16.8 cm X 0 = 1.76 cm K A S C A D E G. Drexlin VL03

24 Schema eines Luftschauers G. Drexlin VL04

25 Schema eines Luftschauers G. Drexlin VL03

26 Schema eines Luftschauers G. Drexlin VL03

27 Schema eines Luftschauers G. Drexlin VL03

28 Schema eines Luftschauers G. Drexlin VL03

29 Schema eines Luftschauers elektromagnetische, myonische und hadronische Komponenten Elektronen/Positronen Photonen Myonen Neutronen G. Drexlin VL03

30 Schema eines Luftschauers Erdatmosphäre als Kalorimeter für die Primärteilchen ev Fe-Kern CORSIKA-Simulation G. Drexlin VL03

31 Luftschauer Simulation Longitudinalverteilung Lateralverteilung G. Drexlin VL03

32 Luftschauer Rekonstruktion Trajektorie Oberflächenarray Longitudinalverteilung X(h) über Fluoreszenzlicht Lateralverteilung r(r) von Myonen & Elektronen G. Drexlin VL03

33 Teilchendichte (m -2 ) Lateralverteilung Lateralverteilung r(r) von Myonen & Elektronen - Aufgabe: Bestimmung von N e = Elektronanzahl im Schauer N µ = Myonanzahl im Schauer aus Integration über Lateralerteilung r(r) - Fit von Lateralverteilung r(r): keine exakte Beschreibung möglich analytische Parametrisierung: NKG-Fit Nishimura Kamata Greisen Greisen-Fit G. Drexlin VL PeV-Skala PeV-Skala Elektronen Elektronen Myonen Abstand zu Schauerzentrum (m)

34 Fluss (m -2 sr -1 s -1 GeV -1 ) Energie des Primärteilchens Primärenergie E 0 aus N e und N µ : Energie E 0? m -2 s m -2 Jahr km -2 Jahr Myonen Elektronen Primärenergie E 0 (ev) G. Drexlin VL03