Teilchen aus den Tiefen des Kosmos

Transkript

1 - Belina von Krosigk - 1 Bild: NASA

2 Eine Frage, bevor wir in den Kosmos schauen... 2

3 Was sind eigentlich Teilchen? 3

4 Was sind Teilchen? 0,01m 10-9m 1/ m 1/ m 1/ m 1/ m 1/1000 Elektron 4

5 Was sind Teilchen? 1897: 1919: 1932: 1968: Entdeckung des Elektrons eentdeckung des Protons p Entdeckung des Neutrons n Erste experimentelle Bestätigung von Partonen (Quarks) im Proton - J. J. Thomson E. Rutherford Sir J. Chadwick J. I. Friedman, H. W. Kendall, R. E. Taylor Elektron 5

6 Was sind Teilchen? Entdeckung weiterer Teilchen 1932: 1937: 1947: 1947: 1949: 1956: Positron e+ Myon μ± Pion π± Kaon K0/Kaon K+ _ Neutrino νe - C. D. Anderson C. D. Anderson et al. C. F. Powell et al. G. D. Rochester et al. C. F. Powell C. L. Cowan, F. Reines Elementarteilchen: Teilchen, die keine weitere Unterstruktur haben Hadronen: Teilchen, die aus Quarks zusammengesetzt sind Positron 6

7 Die Entdeckung kosmischer Teilchen Untersuchungen der elektrischen Leitfähigkeit von Luft Vermutung, energiereiche Teilchen aus dem Kosmos bewirken die Leitfähigkeit => die elektrische Leitfähigkeit muss in großer Höhe ansteigen 1912: 7. Ballonfahrt mit 3 Messgeräten an Bord, Höhe ca m Viktor F. Hess in seinem Forschungsballon (1936 Nobelpreis) Nachweis kosmischer Strahlung, 7

8 Kosmische Teilchenschauer Primäre Primäre kosmische Strahlung: aus allen Richtungen auf Atmosphäre ca. 85% Protonen ca. 12% Helium-Kerne ca. 1% schwere Atomkerne ca. 2% Elektronen Energien von bis zu ca ev werden erreicht Tennisball mit ca. 85 km/h oder Myon mit ca km/h Quellen u.a.: (DESY), 8

9 Kosmische Teilchenschauer Primäre Sekundäre kosmische Strahlung: ausgelöst durch Stöße primärer Teilchen mit Atomen der Erdatmosphäre nur wenige Teilchen erreichen den Erdboden ca. 90% Myonen Quellen u.a.: (DESY), 9

10 Kosmische Teilchenschauer Höhere Strahlenbelastung in größeren Höhen Quelle: 10

11 Kosmische Teilchenschauer Aber nicht nur die Flughöhe, ist von Bedeutung, sondern auch die Route... 11

12 Kosmische Teilchenschauer Das Magnetfeld der Erde als Regenschirm Quelle: geladene Teilchen werden auf ihrem Weg durch ein Magnetfeld abgelenkt die Abschirmung durch das Erdmagnetfeld funktioniert am Besten, wenn die Feldlinien parallel zur Erdoberfläche sind Äquatornähe 12

13 Kosmische Teilchenschauer Das Magnetfeld der Erde als Regenschirm Quelle: Geringere Strahlenbelastung in Äquatornähe 13

14 Kosmische Teilchenschauer Nur, wo kommen die primären Teilchen bloß her? 14

15 Kosmische Teilchenschauer Sterne als Quelle kosmischer Strahlung? die Energie der Strahlung leuchtender Himmelskörper ist temperaturabhängig (thermische Strahlung) kein Objekt im Weltall ist bekannt, das annähernd genügend hohe Temperaturen aufweist Quelle: 15

16 Kosmische Teilchenschauer Sterne als Quelle kosmischer Strahlung? die Energie der Strahlung leuchtender Himmelskörper ist temperaturabhängig (thermische Strahlung) kein Objekt im Weltall ist bekannt, das annähernd genügend hohe Temperaturen aufweist => das Leuchten der Sterne kann nicht die Ursache sein... Quelle: 16

17 Kosmische Teilchenschauer Sterne als Quelle kosmischer Strahlung? die Energie der Strahlung leuchtender Himmelskörper ist temperaturabhängig (thermische Strahlung) kein Objekt im Weltall ist bekannt, das annähernd genügend hohe Temperaturen aufweist => das Leuchten der Sterne kann nicht die Ursache sein... aber was ist mit dem Urknall? Waren da die Temperaturen nicht ausreichend? Quelle: 17

18 Kosmische Teilchenschauer Der Urknall als Quelle kosmischer Strahlung? der Urknall liegt ca. 14 Milliarden Jahre zurück das Alter kosmischer Strahlung lässt sich aus den Zerfallszeiten ihrer radioaktiver Kerne bestimmen die Strahlung ist ein paar Millionen Jahre alt 18

19 Kosmische Teilchenschauer Der Urknall als Quelle kosmischer Strahlung? der Urknall liegt ca. 14 Milliarden Jahre zurück das Alter kosmischer Strahlung lässt sich aus den Zerfallszeiten ihrer radioaktiver Kerne bestimmen die Strahlung ist ein paar Millionen Jahre alt => zu jung, um vom Urknall zu stammen... 19

20 Kosmische Teilchenschauer Heißeste Kandidaten: Supernovae ein Stern explodiert am Ende seiner Lebenszeit in einer Supernova so gewaltig, dass sehr große Energien frei werden eine Schockwelle wird ausgelöst und breitet sich mit mehreren km/h aus Supernova Überrest Cassiopeia A; Bild: UPI/NASA 20

21 Kosmische Teilchenschauer Atomkerne surfen auf der Supernova Schockwelle 21

22 Kosmische Teilchenschauer Aber auch eine Supernova kann die höchsten Teilchenenergien nicht erklären... 22

23 Kosmische Teilchenschauer Die Spurensuche nach dem Geburtsort kosmischer Teilchen geht weiter! 23

24 Und wie geht man auf Spurensuche? 24

25 Teilchen-Detektoren 1911: Entwicklung der Nebelkammer durch C. Wilson Kammer gefüllt mit übersättigtem Dampf geladenes Teilchen erzeugt beim Durchgang Tröpfchenspur Quelle: 25

26 Teilchen-Detektoren Nebelkammer-Aufnahme kosmischer Teilchen 26

27 Teilchen-Detektoren Anderson bei der Arbeit an seiner Nebelkammer: 27

28 Teilchen-Detektoren Szintillator und Photomultiplier kosmisches Myon Myon Hit Zeit dt Photon 2. Hit: Myon zerfällt in Elektron Photon Szintillator 28

29 Teilchen-Detektoren Szintillator und Photomultiplier (Photoeffekt, A. Einstein, Nobelpreis 1921) 29

30 Teilchen-Detektoren Szintillator und Photomultiplier Lichtleiter Szintillator Photomultiplier Ausleseelektronik 30

31 Teilchen-Detektoren Szintillatorwände im Neutrino-Experiment OPERA 31

32 Teilchen-Detektoren Čerenkov-Detektoren Čerenkov-Effekt: entdeckt von P. Čerenkov (Nobelpreis 1958) bewegt sich geladenes Teilchen in Medium schneller als Licht im Medium (v > c/n) Lichtemission Čerenkov Licht im Reed Kernreaktor Medien: Wasser, Gase, Eis 32

33 Teilchen-Detektoren Čerenkov-Detektoren Das Kamiokannen-Experiment 33

34 Teilchen-Detektoren Wassertank des Neutrino-Experiments Super-Kamiokande Aufnahme eines Čerenkov Rings 34

35 Dann lasst uns mal einen Blick in den Kosmos werfen! 35