Kosmische Strahlung. Hochenergetische Teilchen aus dem Weltall. Thomas Hebbeker RWTH Aachen Novembervorlesung
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- Jan Kappel
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1 Kosmische Strahlung 1.2 Hochenergetische Teilchen aus dem Weltall Thomas Hebbeker RWTH Aachen Novembervorlesung oder: google hebbeker
2 Kosmische Strahlung Entdeckung / Eigenschaften Einflüsse auf Erde Hochenergetische Teilchen Kosmische Quellen Auger-Observatorium
3 Kosmische Strahlung? Art: schnelle geladene Elementar -Teilchen (Protonen p und Atomkerne) Quelle: außerhalb der Erde e - m Nachbargalaxie n Andromeda 3 Millionen Lichtjahre Kern aus Protonen p und Neutronen n Proton aus Quarks Atom aus Elektronen e und Kern p +
4 Energie Energie-Einheit der Atom-und Teilchenphysik: ev = Elektronenvolt = Energie nach Durchfliegen einer Spannung von 1 V Elektron im Atom 1 ev Teilchenbeschleuniger ev ev = 1GeV = 1TeV Kosmische Strahlung ev = 1EeV = 0.16 Joule
5 Kosmos - Weltall - Universum Galaxien Andromeda-Galaxie 3 Millionen Lj Lj Aachen Das Sonnensystem in der Milchstrasse
6 Wirkung und Nachweis geladener Teilchen Ionisation Freies Elektron Rekombination Licht Chemische Reaktion
7 Experiment Elektrometer Freie Elektronen Wird Luft ionisiert, bewegen sich die Elektronen zum Elektrometer und entladen es.
8 Elektrometer-Messungen von Viktor Hess ElektrometerEntladungsgeschwindigkeit Nobelpreis 1936 Ionisation Kosmische Höhenstrahlung 1912 Entdeckung der kosmischen Höhenstrahlung! Radioaktivität der Erde Unerwarteter Anstieg!
9 Kosmische Strahlung (Höhenstrahlung) ~ m 2 s ~ 100 m 2 s Auf Erdboden kommen praktisch nur die Myonen (= schwere Elektronen ) an.
10 Experiment Nachweis kosmischer Myonen Licht Myon Myonen der Höhenstrahlung werden nachgewiesen. Sie durchdringen Materialien
11 Kosmische Strahlung Entdeckung / Eigenschaften Einflüsse auf Erde Hochenergetische Teilchen Kosmische Quellen Auger-Observatorium
12 Polarlicht Thierry Le Mouel Niederenergetische Teilchen von der Sonne ( Sonnenwind ) spiralen um Magnetfeldlinien der Erde und regen Luftmoleküle zum Leuchten an. e p
13 Wolkenentstehung? Abgaspartikel wirken als Kondensationskeime, Wasserdampf kondensiert in Form von Kondensstreifen und Wolken. Auch kosmische Strahlung kann möglicherweise die Wolkenbildung und damit das Klima beeinflussen.
14 Experiment Nebelkammer Ionen wirken als Kondensationskeime in übersättigtem Gas: Nachweis von Teilchenspuren (Wilson, 1912) Wichtiges Nachweisgerät der Teilchenphysik!
15 Blitzentstehung? Julian Stratenschulte Kosmische Teilchen setzen Ladungen frei, entlang derer sich Blitz als Funke entwickelt.?
16 Ionisierende Strahlung und Mensch Arten: geladene Teilchen Röntgenstrahlung Radioaktive Zerfälle Kosmische Strahlung Medizin Wirkungen: o Ionisation und Rekombination Zerstörung von Molekülen und Zellen (Krebs) -/+ Veränderung des Erbgutes (Missbildungen, Evolution!)
17 Strahlenexposition des Menschen Natürliche Quellen: Im Körper deponierte Energie: ~ 1 m Sv / Jahr ~ 1 m Gy / Jahr ~ 0,001 J/kg / Jahr ~ 0,1 J / Jahr Atemluft (Radon) Interne Radioaktivität (K-40) Kosmische Strahlung externe Radioaktivität 100 g um 10 cm anheben 10 μg Schokolade 1/1000 s Sonnenbad Technische Quellen: Im Körper deponierte Energie: ~ 1 m Sv / Jahr ~ natürliche Exposition Erhöhte Strahlung!
18 Kosmische Strahlung Entdeckung / Eigenschaften Einflüsse auf Erde Hochenergetische Teilchen Kosmische Quellen Auger-Observatorium
19 primär Messungen von Pierre Auger sekundär 300 m Detektor 1938 Jungfraujoch Geiger-Müller-Zählrohre Ergebnis: ~ gleichzeitiges Ansprechen der Detektoren in 300 m Abstand Ausgedehnte Luftschauer Abschätzung: 1 Millionen Sekundärteilchen, Energie ev!!!
20 Agasa-Detektor ~1995 Japan 111 Wassertanks (Lichtmessung) Energiemessung: Lichtmenge Richtungsmessung: Ankunftszeiten ~ 1μs Hochenergetischer Schauer Energie bis ~ ev!!!
21 Ergebnisse der Luftschauer-Messungen Teilchenfluss Energiespektrum primärer Teilchen Messung mit Satellit/Ballon Richtungsverteilung Messung am Boden Himmelskarte Energie/eV Hohe Energien sehr selten, keine Energiegrenze isotrope Verteilung
22 ISS Geladene Strahlung primär (Protonen, Kerne) Energie bis ev sekundär Fragen: Woher kommen die Teilchen? Wie hoch kann die Energie sein? Wie werden sie beschleunigt? Myonen
23 Kosmische Strahlung Entdeckung / Eigenschaften Einflüsse auf Erde Hochenergetische Teilchen Kosmische Quellen Auger-Observatorium
24 Fragen Fragen Fragen Kosmische Quellen geladener Teilchen? Beschleunigungsmechanismus? Ablenkung? (Magnetfelder) Absorption? (Wechselwirkung mit Photonen)
25 Ablenkung in kosmischen Magnetfeldern Simulationsrechnungen ev ev Bei Ankunft auf Erde: keine Richtungsinformation
26 Experiment Ablenkung im Magnetfeld Magnet Kathodenstrahlröhre
27 Herkunft hochenergetischer kosmischer Teilchen Energiespektrum primärer Teilchen Hypothesen: Supernovae in Milchstrasse? Aktive Galxienkerne?????????????????
28 Supernovae = explodierende Sterne Beispiel: Typ Ia Explosion des weissen Zwerges wenn Masse kritischen Wert erreicht heller als Galaxie! Zeitskala: einige Wochen
29 Supernovae Quellen kosmischer Strahlung George Kelvin Sterbender Stern erzeugt durch Kernprozesse schwere Elemente NASA NASA SN1987A (~ Milchstrasse) Schockwellen (elektromagnetische Felder) beschleunigen Teilchen Äußere Hülle des sterbenden Sterns wird abgestoßen Krebs-Nebel Milchstrasse
30 Supernova - Chemie Vor der Sternbildung: 75 % 25 % (Masse) Wasserstoff Helium Am Ende des Sternenlebens: NASA
31 Supernova - Chemie Vor der Sternbildung: 75 % 25 % (Masse) Wasserstoff Helium Am Ende des Sternenlebens: Wir bestehen aus Sternenasche!
32 Supernova - Chemie Vor der Sternbildung: 75 % 25 % (Masse) Wasserstoff Helium Am Ende des Sternenlebens: Wir bestehen aus Sternenasche! Wir sind kosmische Strahlung!
33 Supernovae - wo und wann? SN1987A Galaxie NGC4526 NASA HST Galaxie NGC 1232 (~ Milchstrasse) Galaxie wie unsere Milchstrasse: Ein Ausbruch alle ~ 30 Jahre ESO Supernova-Ausbruch Schwere Elemente werden im Universum verteilt
34 Supernovae und kosmische Strahlung Galaktische Magnetfelder Zeit- und Richtungsinformation gehen verloren!
35 Aktive Galaxienkerne (AGN) Vermutung: Zentrum der meisten Galaxien: schwarzes Loch Beim Hineinfallen wird viel Energie freigesetzt: Jets HST: M87 in Virgo NASA AGNs = Quellen höchstenergetischer? kosmischer Strahlung NASA
36 Kosmische Strahlung Entdeckung / Eigenschaften Einflüsse auf Erde Hochenergetische Teilchen Kosmische Quellen Auger-Observatorium
37 Auger-Observatorium untersucht höchstenergetische kosmische Strahlung Herkunft Energie bis 100,000,000,000 GeV! 24 x Teleskope (Flluoreszenzlicht) 1600 x Wasser-Tanks (geladene Teilchen)
38 Auger-Observatorium, Argentinien 50 km Teleskope Tanks Argentinien 3000 km 2
39 Hochenergetisches kosmisches Teilchen Fluoreszenzlicht: wie von einer Glühbirne mit Lichtgeschwindigkeit! 5 km 50 km Simulation
40 AUGER - Wassertanks Myon
41 AUGER Fluoreszenz-Teleskope Messungen nur nachts!
42 Auger-Fluoreszenzteleskop Kamera: 440 Pixel (PM) 1/ s ASA Leuchtspur eines Schauers in Kamera
43 Auger - Erste Ergebnisse - Energiespektrum Teilchenfluss Übereinstimmung mit anderen Experimenten Sehr hochenergetische Schauer gesehen!
44 Auger Erste Ergebnisse - Richtungsverteilung Hier nur sehr hochenergetische Teilchen Gemessene Herkunftsrichtungen Himmelskarte Positionen von Aktiven Galaxien Viele hochenergetische kosmische Teilchen scheinen aus Galaxien mit massiven schwarzen Löchern zu kommen!
45 Zukunft des Auger-Observatoriums Messungen über viele Jahre zweiter Standort Colorado/USA Neu: Radio-Nachweis J. Cronin Antenne aus Aachen A. Watson
46 Auger-Gruppe III. Physikalisches Institut
47 Zusammenfassung Teilchen der kosmischen Strahlung = Boten ferner kosmischer Beschleuniger NGC 3190 (ESO)
48 DANKE! Hans Dembinski Egon Schneevoigt Bartel Philipps und Ralf Kupper
49 Anhang Experimente: Elektrometer Aufladen mit Stab/Tuch Entladen mit Röntgenquelle Nebelkammer Cosmic-Teleskop aus 4 Szintillatoren + PMs Viererkoinzidenzrate unverändert bei liegendem Menschen zwischen Szint. Kathodenstrahlrohr und Magnet Spurkammer (AMS-TR)??? Geiger Müller???
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