Astroteilchenphysik I

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1 Astroteilchenphysik I Wintersemester 2015/16 Vorlesung # 2, Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik Experimentelle Techniken - Multimessenger-Methoden: Gammas, Neutrinos, Protonen - kosmische Strahlung: Einführung das Energiespektrum der CRs: Powerlaw-Verhalten KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 Multimessenger-Methoden Teilchenstrahlung aus dem (nicht-thermischen) Universum GeV-TeV Gammas G. Drexlin VL02

3 Hochenergie-Neutrinostrahlen Teilchenstrahlung aus dem Labor Protonensynchrotrons - Neutrino-Oszillationen - CP Verletzung im leptonischen Sektor SPS LNGS G. Drexlin VL02

4 2. Experimentelle Methoden Teilchenstrahlung aus dem Universum und dem Labor Multimessenger-Methoden - Luftschauer-Experimente - Gamma-Teleskope - Neutrino-Teleskope Suche nach seltenen Prozessen - Untergrundprozesse - Abschirm-Methoden - Zerfalls-Ketten g G. Drexlin VL02

5 2.1 Multimessenger-Methoden Multi-Messenger-Methoden: Beobachtungen mit Strahlung & Teilchen Nicht-Thermisches h=30 Universum: km Synchrotron-Strahlung, inverser Compton-Effekt, Moleküle Thermisches Universum: Sterne, Molekülwolken, Staub (T = K) Nicht-Thermisches Universum: Supernovae-Schockfronten, Pulsare, Black Holes, kompakte binäre Objekte,? G. Drexlin VL02

6 Flussdichte (cm -2 s -1 MeV -1 ) Teilchen aus dem Universum & dem Labor Neutrinos: Spektrum über einen extrem weiten Energiebereich astrophysikalische Quellen (kev-mev) sind oft thermisch Kosmischer Neutrinohintergrund solare Neutrinos astrophysikalische Neutrinos SN1987a Geoneutrinos Kernreaktoren SN-Hintergrund atmosphärische Neutrinos ATP-II Energie (ev) G. Drexlin VL02

7 Neutrinoquellen astrophysikalisch astrophysikalische n-quellen Urknall (thermisch, T n = 1.9 K) Sonne (Kernfusion, pp, 7 Be, 8 B) Supernova (thermisch, Protoneutronstern) Atmosphäre (kosmische Strahlung) galaktische Beschleuniger (µ-quasare) extragalaktische Beschleuniger (AGN, ) Energien einige µev < 15 MeV < 50 MeV < 10 4 GeV < 10 5 GeV > 10 5 GeV solare n s SN-n s AGN-n s n e n e n µ n t n µ G. Drexlin VL02

8 Energie (MeV) Intensität thermische & nicht-thermische Prozesse thermische Teilchenstrahlung aus dem Universum Thermische Strahlung - Thermodynamisches Gleichgewicht - Boltzmann-Verteilung (Parameter: T) T - Sterne, SNae, Hintergrundstrahlung (CMB) Wellenzahl [cm -1 ] T n ~ K T g = 2.7 K T g = 6000 K Zeit (s) G. Drexlin VL02

9 Intensität thermische & nicht-thermische Prozesse nicht-thermische Teilchenstrahlung aus dem Universum nicht-thermische Strahlung - kein thermodynam. Gleichgewicht - anderer Ordnungsparameter: B, r, E 0 - Pulsare, SN-Schockfronten, Zerfälle Synchrotron- Strahlung thermische Strahlung Frequenz AGN-Jet G. Drexlin VL02

10 GeV-Hochenergie-Gamma-Astronomie drei Jahre Datennahme mit Fermi Himmelskarte im multi-gev Gammalicht PSR J DMA? Geminga Geminga galakt. Äquator Vela Vela Crab Crab 3C C454 3 E g > 10 GeV nicht-thermisch! - ms Pulsare - g-pulsare ~500 Quellen G. Drexlin VL02

11 Supernovae: expandierende Hüllen SN-Überreste erzeugen Gamma-Quanten im GeV Bereich Cas A W51C W44 IC G. Drexlin VL02

12 TeV-Hochenergie-Gamma-Astronomie SN-Überreste erzeugen Gamma-Quanten auch im TeV Bereich (H.E.S.S.) G. Drexlin VL02

13 Hochenergetische kosmische Strahlung Kosmische Beschleuniger erzeugen geladene Teilchen (CR) bis ev Quellen? großer Luftschauer mit Teilchenkaskade G. Drexlin VL02

14 UHECR-Astronomie Kosmische Strahlung bei den allerhöchsten Energien > 60 EeV: mögliche Anzeichen für Korrelation mit großräumigen Materiestrukturen ( Protonen-Astronomie ) 27 Ereignisse mit höchsten Energien (Auger) G. Drexlin VL02

15 Reichweite von Gammas & Protonen Wechselwirkung mit Hintergrundfeldern (CMB, IR) begrenzt Reichweite TeV Gammas: d < 100 Mpc ev Protonen: AGN UHE Protonen TeV Gammas Ww. mit Mikrowellen- Hintergrund (CMB): Erzeugung einer D- Resonanz Wechselwirkung mit Infrarothintergrund: resonante Erzeugung von e+e- Paaren gg e + e - CMB IR G. Drexlin VL02

16 W (m -2 sr -1 ) Teilchenenergie (ev) pg D (CMB) Reichweite von Gammas & Protonen Wechselwirkung mit Hintergrundfeldern (CMB, IR) begrenzt Reichweite TeV Gammas: d < 100 Mpc ev Protonen: höchste beob. p-energie Protonen Gammas 10-8 CMB höchste beob. g-energie Galaxis opt. IR Wellenlänge l (µm) G. Drexlin VL02 lokale Gruppe nahe Cluster AGNs Kosmologie beobachtbare Entfernung d (Mpc)

17 TeV-PeV Neutrino-Astronomie Statistische Fluktuationen durch atmosphärische Neutrinos (aus Pion- und Myonzerfällen in h = km) Signifikanz G. Drexlin VL02

18 IceCube erste Quellen April 2013 IceCube beobachtet die ersten (extra-) galaktischen Neutrinos (2.8 s Effekt) mit Energien: - E 1 = (1.04 ± 0.16) PeV E 1 = (1.14 ± 0.17) PeV im Detektor - Beginn der HE-Neutrino-Astronomie Ernie G. Drexlin VL02 Bert

19 Hochenergetische Neutrinos Kosmische Beschleuniger erzeugen UHE-Neutrinos bis einige ev Quellen? G. Drexlin VL02

20 TeV-PeV Neutrino-Astronomie Himmelkarte von neutrino-induzierten Ereignissen keine statistisch signifikante Einzelquelle von UHE-n s G. Drexlin VL02

21 TeV-PeV Neutrino-Astronomie Himmelkarte von neutrino-induzierten Ereignissen ~50% der Ereignisse > 100 TeV liegen in der galaktischen Ebene Icecube-n s G. Drexlin VL02

22 Multimessenger-Methoden n E> 30 TeV g CR >500 Quellen > 10 GeV 27 UHECRs > 60 EeV G. Drexlin VL02

23 2.1.1 Luftschauer-Experimente CR-Physik: Objekte, Prozesse, Mechanismen Quellen kosmischer Strahlung Quellen? Mechanismen? Zusammensetzung? Schauerprozesse Teilchenkaskade Primärteilchen Oberflächen- Array Nachweis G. Drexlin VL02

24 Entdeckung der kosmischen Strahlung 1912: Viktor Hess erster experim. Nachweis der kosmischen Strahlung Serie von Ballonflügen vom Wiener Prater (h = 5 km) Ergebnisse: Ionisation der Luft nimmt mit wachsender Höhe nicht ab! Erklärung: Strahlung von sehr hoher Durchdringungskraft dringt von oben in die Atmosphäre ein, nicht mit der Sonne korreliert Physikal. Zeitschrift 13 (1912), 1084 Viktor Hess Nobelpreis Naturforscherversammlung Karlsruhe (Sept. 1911) Die zu geringe Abnahme der lonisation mit der Höhe in einem geschlossenen Gefäß könnte zweierlei Ursachen haben: "... erstens kann außer den radioaktiven Substanzen der Erde ein anderer, uns noch unbekannter lonisator in der Atmosphäre wirksam sein" G. Drexlin VL02

25 ausgedehnte Luftschauer Pierre Auger 1939: Pierre Auger erster experim. Nachweis ausgedehnter Luftschauer auf dem Jungfraujoch - Koinzidenztechnik: 2 Geigerzähler in Abstand bis zu d = 300 m, - erste Abschätzung: Primärenergie: E > ev! G. Drexlin VL02 Pierre Auger

26 hochenergetische Schauer Volcano Ranch Volcano Ranch: 2 km 2 Pionierexperiment bei Albuquerque, New Mexico (19 Szintillatoren) - jeweils 3.3 m 2 Fläche, jeweils im Abstand 442 m - Messungen von J. Linsley et al. von : hochenergetisches Ereignis 1970: Pionieruntersuchungen zur E = ev Fluoreszenztechnik John Linsley G. Drexlin VL02

27 Flussdichte [m -2 sr -1 s -1 GeV -1 ] hochenergetische Schauer Raten Häufigkeit Primärteilchen: E = ev (V. Hess) 1 Ereignis / m 2 / s Hess E = ev (P. Auger) 1 Ereignis / m 2 / a E = ev (D. Linsley) 1 Ereignis / km 2 / a Power Law Linsley Auger große Luftschauer-Arrays Energie [ev] G. Drexlin VL02

28 Flussdichte [m -2 sr -1 s -1 GeV -1 ] hochenergetische Schauer Nachweis Direkte Methoden: Ballon- & Satelliten- Experimente (~10 14 ev) E max ~ 1 TeV Indirekte Methoden: Luftschauer-Experimente Power Law Verhalten ~ E Atmosphäre als Kalorimeter G. Drexlin VL Energie [ev]