Astroteilchenphysik I

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1 Astroteilchenphysik I Wintersemester 2013/14 Vorlesung # 4, Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik Experimentelle Techniken - Luftschauer-Prozesse: ECAL & HCAL, Myonen Schema Luftschauer Lateral/Longitudinalverteilung primäre Wechselwirkung Myon-Elektron Verhältnis KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 Kosmische Strahlung Energiespektrum Pioniere bei der Erforschung Viktor Hess erster Nachweis (1912) Pierre Auger erste Luftschauer (1939) John Linsley Energien bis ev (1961) direkte Messungen (Ballone, Satelliten): Energiespektren von Kernen bis ev) Power Law Verhalten F ~ E 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 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 VL04

5 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 VL04

6 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 VL04

7 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 VL04

8 Hadronische Komponente Hadronen: Protonen, Neutronen, Pionen, Kaonen, (0.3% Anteil) lokalisiert im Schauerkern, Erdatmosphäre entspricht ~ 11 hadronischen Wechselwirkungslängen L 1 Hadronische Wechselwirkungen G. Drexlin VL04 L Hadronen 11 - hadronische Wechselwirkungslänge L = mittlere Länge für inelastische Streuung 1 L n in [g cm -2 ] bzw. [cm] : Kern-Wirkungsquerschnitt n: Anzahl der Streuzentren - L ist wesentlich größer als X 0

9 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: L = 16.8 cm X 0 = 1.76 cm K A S C A D E G. Drexlin VL04

10 Schema eines Luftschauers G. Drexlin VL04

11 Schema eines Luftschauers G. Drexlin VL04

12 Schema eines Luftschauers G. Drexlin VL04

13 Schema eines Luftschauers G. Drexlin VL04

14 Schema eines Luftschauers G. Drexlin VL04

15 Schema eines Luftschauers elektromagnetische, myonische und hadronische Komponenten Elektronen/Positronen Photonen Myonen Neutronen G. Drexlin VL04

16 Schema eines Luftschauers Luftschauersimulation generiert mit dem weitverbreiteten CORSIKA Code Proton mit ev Hadronen Elektronen Myonen Neutronen - Dicke & Krümmung der Schauerfront - Hadronen lokalisiert im Schauerkern - Neutronen spät - Verhältnis Myonen/ Elektronen abhängig von Primärteilchen G. Drexlin VL04

17 Schema eines Luftschauers Erdatmosphäre als Kalorimeter für die Primärteilchen ev Fe-Kern CORSIKA-Simulation G. Drexlin VL04

18 Luftschauer Simulation Longitudinalverteilung Lateralverteilung G. Drexlin VL04

19 Luftschauer Rekonstruktion Trajektorie Oberflächenarray Longitudinalverteilung X(h) über Fluoreszenzlicht Lateralverteilung r(r) von Myonen & Elektronen G. Drexlin VL04

20 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]

21 Teilchendichte [m -2 ] Energie des Primärteilchens Primärenergie E 0 aus N e und N µ : Energie? 10 3 PeV-Skala PeV-Skala 10 2 Elektronen 10 1 Elektronen Myonen Myonen Elektronen Abstand zu Schauerzentrum [m] G. Drexlin VL04

22 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 X (g cm -2 ) G. Drexlin VL04

23 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

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

25 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

26 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

27 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

28 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