Astroteilchenphysik I

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1 Astroteilchenphysik I Wintersemester 2015/16 Vorlesung # 4, Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik Experimentelle Techniken - Luftschauer-Prozesse: Longitudinalverteilung & Masse - KASCADE-Grande - Propagation - Energiedichte von CR & SNae - Energiespektren: Knie & Knöchel KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 Astroteilchenphysik The Breakthrough Prize in Fundamental Physics recognizes major insights into the deepest questions of the Universe. The 2016 award is for the fundamental discovery and exploration of neutrino oscillations, revealing a new frontier beyond, and possibly far beyond, the standard model of particle physics (Preisgelder: 22 M$) G. Drexlin VL04

3 Wechselwirkungsprozesse in Schauern indirekte Messungen über Luftschauerexperimente am Boden: Primärteilchen-Energien und Massen von ev ev Teilchenprozesse in Schauern: sehr enge Analogie zu Teilchenkaskaden in der Hochenergiephysik (fixed target) ECAL HCAL Myonkammern Elektronen Elektromagnetische Kaskadenprozesse: Atmosphäre = ECAL mit ~ 25 X 0 Schauerentwicklung abhängig von Atmosphäre G. Drexlin VL04

4 Schema eines Luftschauers Erdatmosphäre als Kalorimeter für die Primärteilchen Masse? X ECAL HCAL Myonen G. Drexlin VL04

5 Fluktuationen Masse des Primärteilchens Masse abgeleitet aus Ort X der ersten Wechselwirkung: Masse? - schwerer Kern ( 56 Fe): wechselwirkt rasch in obersten Atmosphäreschichten kleines X - leichter Kern (p): dringt tiefer ein großes X Fe E 0 = ev p X Luftsäule X (g cm -2 ) G. Drexlin VL04

6 Myonen Elektronen Masse des Primärteilchens Methode: am Boden erfolgt Messung von N e und N µ Masse? Elektronenzahl N e Myonenzahl N µ Myonen: - es werden weniger µ als e erzeugt - erreichen den Boden auch aus großen Höhen (d.h. kleinem X) Elektronen: - es werden mehr e als µ erzeugt - erreichen den Boden bevorzugt aus kleinen Höhen (d.h. großem X) Protonen: großes X N e / N µ groß Kerne: kleines X N e / N µ klein Myonen Elektronen X G. Drexlin VL04

7 Luftschauer Experimente experimentelle Zielesetzungen: - Energiespektrum - Zusammensetzung Fluoreszenz in der Atmosphäre Array am Boden indirekte Messungen (Luftschauer) KASCADE Grande G. Drexlin VL04

8 KASCADE Experiment KASCADE - KArlsruhe Shower Core and Array DEtector ( ) Gesamtfläche ~ m 2 Messfläche: ~ 2% der Gesamtfläche Hauptkomponenten: Array: Detektorstationen Elektronen/Myonen-Detektoren Zentralkalorimeter: TMS - Kammern Hadronen-Nachweis Myontunnel: Myonenverteilung G. Drexlin VL04

9 KASCADE Myonen und Elektronen Myonzahl N µ und Elektronzahl N e : Messung über 2 Szintillatorschichten, getrennt durch Pb-Abschirmung oberer Szintillator zählt Elektronen & µ unterer Szintillator zählt nur Myonen G. Drexlin VL04

10 KASCADE Grande Experiment KASCADE - Grande ( ): - Erweiterung des ursprünglichen Arrays für E = ev zur - Untersuchung des Energiespektrums bei höheren Energien: wird die kosmische Strahlung schwerer (Zunahme von Fe-Kernen?) G. Drexlin VL04

11 log 10 (Anzahl Elektronen) Anzahl Ereignisse Masse des Primärteilchens Myonzahl N µ und Elektronzahl N e zur Bestimmung der Masse des Primärteilchens experimentelle KASCADE Daten - gute Korrelation von 7.0 N e e und N µ Summe als Primär- Energieindikator - leichte Kerne (p, a, 12 C) wechselwirken tiefer in Atmosphäre (großes X) Verhältnis N e /N µ groß - schwere Kerne ( 56 Fe) wechselwirken früher in Atmosphäre (kleines X) Verhältnis N e /N µ klein G. Drexlin VL log 10 (Anzahl Myonen) µ

12 Luftschauer Massenbefunde Chemische Zusammensetzung der kosm. Strahlung ändert sich - bei Energien von ev werden die primären CRs schwerer - mittlere Massenzahl A nimmt mit wachsender Energie E 0 eines Schauers zu - Fragestellungen aus diesem experimentellen Befund: a) erreicht Quelle für leichte Teilchen das Ende ihres Beschleunigungsvermögens? b) wie beeinflusst die Teilchenpropagation die Massenzusammensetzung? G. Drexlin VL04

13 Propagation der kosmischen Strahlung Beeinflussung der CR-Parameter Energie/Masse durch Propagation CR-Propagation in Galaxis - geladene kosm. Strahlung beeinflusst durch B galaktisch Quellen: µ-quasar detaillierte Modellierung der Propagation B = einige µg GALPROP-Code zum Teilchentransport von Quelle bis zum Nachweis (Diffusion): - Modellierung der Magnetfelder - Modellierung von Energieverlusten: Synchrotronemission, inverser Compton G. Drexlin VL04

14 kosmische Strahlung Propagation geladene Teilchen werden durch das galaktische Magnetfeld (einige µg) geführt) Larmor-Radius R L : E 1pc 10 ev R L 15 µg Z B CR-Teilchen verlässt Galaxis Diffusionsprozess ( leaky box -Modell) Speicherzeiten der CR in Galaxis: ~ t ~ Jahre Energiedichte der CR: ~ 1 ev / cm 3 B = 3 µg: reguläre & turbulente Komponente G. Drexlin VL04

15 kosmische Strahlung Energiebetrachtung Energiedichte der kosmischen Strahlung = gleiche Größenordnung wie die des galaktischen Magnetfelds und des Sternlichts lokale Energiedichten in der Milchstraße elektromagnetische Strahlung (Licht) ~0.6 ev/cm 3 galaktisches Magnetfeld ~ B 2 / 2µ 0 (3µG] ~0.25 ev/cm 3 kosmische Hintergrundstrahlung CMB ~0.26 ev/cm 3 kosmische Strahlung ~1 ev/cm 3 lokale Materiedichte (WIMPs) ~0.3 GeV/cm 3 primäre kosmische Strahlung ist überwiegend galaktischen Ursprungs - Gesamt-Energie der galaktischen kosmischen Strahlung W CR = r CR p R 2 d t -1 = J = 10 J/Jahr 7 erg Supernovae = ideale Kandidaten der galaktischen CR - Gesamt-Energie der SNae der Galaxis (~3 / 100 a) W SN = J/Jahr (Effizienz für E kin E CR : < 5%) G. Drexlin VL04

16 Quellen der kosmischen Strahlung Experimentelle Ziele seit 1912: Identifikation von galaktischen CR-Quellen Supernova-Schockfronten - SNR-Schocks: Energieverteilung? maximale Energie? welche Kerne? Pulsare, Pulsarwindnebel - Beschleunigungsmechanismus hadronisch, leptonisch? 28 Si 56 Fe g G. Drexlin VL04

17 Isotropie der kosmischen Strahlung Rekonstruktion der Primärrichtung aus Schauerachse Resultate: in erster Ordnung (10-3 ) isotrope Richtungsverteilung keine nahen Quellen keine neutralen Primärteilchen (Gammas), die zur Quelle (SNR, Pulsar) zurückzeigen Primärteilchen: Richtungsparameter KASCADE: Richtungsverteilung der CR Isotropie Schauerachse Luftschauer Schauer- Array G. Drexlin VL04

18 Anisotropien auf der TeV PeV Skala extrem schwache räumliche Anisotropie in den Experimenten TIBET-III (Nordhalbkugel) und IceCube-22 (Südpol) Resultate: nicht-isotrope Richtungsverteilung mit Amplitude A ~ dominanter Dipol (aus Quellverteilung der CR + Diffusion) TIBET-III konsistente Daten Nord-Süd IceCube-22 5 TeV 20 TeV Verlust-Konus Überschuss-Region galaktische Ebene relative Intensität G. Drexlin VL04

19 Energiespektren das Knie Gesamtteilchenfluss & Energiespektrum - Energiespektrum der kosmischen Strahlung zeigt ein typisches Power-Law (Potenzgesetz) - Verhalten Fluss E 2 E -g 1 das Knie der Knöchel E -g 2 Primärenergie E Änderungen im spektralen Verlauf (Knie, Knöchel) zeigen dass sich: - die Massenzusammensetzung der CR ändert (leicht schwer) - die Beschleunigungsquelle ändert: galaktisch extragalaktisch - bestimmte Beschleunigungsmechanismen erreichen ihre maximale Energie Beschleunigung in SN-Schocks G. Drexlin VL05

20 Energiespektren das Knie Gesamtteilchenfluss & Energiespektrum - Energiespektren werden zur besseren Darstellung oft multipliziert mit Energiefaktoren E 2 3 E 2.7 E 2 Fluss E 2.5 Fluss E 2.7 E -g 1 das Knie E -g 1 das gestreckte Knie E -g 2 E -g 2 Primärenergie E Primärenergie E G. Drexlin VL04

21 Energiespektren das Knie Gesamtteilchenfluss & Energiespektrum - Änderung des spektralen Index im Power-Law Verhalten des Flusses: das Protonen-Knie bei E ~ 4 PeV ( ev) Fluss E 2.5 E -g 1 p das Knie 4 PeV E -g 2 Primärenergie G. Drexlin VL04

22 diff. Fluß E 2 (m -2 s -1 sr -1 GeV 1.5 ) Energiespektren das Eisen-Knie Gesamtteilchenfluss & Energiespektrum - KASCADE-Grande: 10 5 erste Beobachtung des Eisen-Knies bei 100 PeV g 1 = Fe Protonenknie E = 4 PeV Eisenknie E = 100 PeV g 2 = 3.1 Beschleunigungs- Mechanismus? 56 Fe 10 2 KASCADE JACEE Tibet Akeno CASA-MIA (E*1.2) p Primärenergie E 0 (GeV) G. Drexlin VL04