Astroteilchenphysik I

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1 Astroteilchenphysik I Wintersemester 2013/14 Vorlesung # 3, Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik Experimentelle Techniken - Luftschauer-Prozesse Einführung elektromagnetische Kaskaden, Myonen & Hadronen Querverbindungen Schauerparameter KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 Terrestrische Teilchenstrahlen Neutrinos Terrestrische n-quellen Geoneutrinos ( 238 U, 232 Th Zerfälle in Mantel, Kruste) Kernreaktoren (ß-Zerfall von Spaltprodukten) Spallationsquellen (p + - µ + Zerfallskette in Ruhe) Beschleuniger (p + -Zerfall im Fluge) n-energien 2 4 MeV 1 5 MeV bis 50 MeV bis 200 GeV CERN-Gran Sasso CHOOZ: Reaktorneutrinos G. Drexlin VL03

3 Multimessenger-Methoden hochenergetische Neutrinos (Atmosphäre) n Myonen g CR >500 Quellen > 10 GeV 27 UHECRs > 60 EeV G. Drexlin VL03

4 Flussdichte [cm -2 s -1 MeV -1 ] Teilchen aus dem Universum & dem Labor Teilchenstrahlung über einen extrem weiten Energiebereich Kosmischer Neutrinohintergrund solare Neutrinos SN1987a astrophysikalische Neutrinos Geoneutrinos Kernreaktoren SN-Hintergrund atmosphärische Neutrinos ATP-II Energie [ev] G. Drexlin VL03

5 2.1.1 Luftschauer-Experimente CR-Physik: Objekte, Prozesse, Mechanismen Quellen kosmischer Strahlung Primärteilchen Quellen? Mechanismen? Zusammensetzung? Schauerprozesse Teilchenkaskade Oberflächen- Array Nachweis G. Drexlin VL03

6 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 VL03

7 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 VL03 Pierre Auger

8 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 VL03

9 Flussdichte [m -2 sr -1 s -1 GeV -1 ] hochenergetische Schauer Raten Häufigkeit Primärteilchen: E = ev (Hess) 1 Ereignis / m 2 / s Hess E = ev (Auger) 1 Ereignis / m 2 / a E = ev (Linsley) 1 Ereignis / km 2 / a Power Law Linsley Auger große Luftschauer-Arrays Energie [ev] G. Drexlin VL03

10 32 Dekaden im Fluss Flussdichte [m -2 sr -1 s -1 GeV -1 ] hochenergetische Schauer Nachweis Direkte Methoden: Ballon- & Satelliten- Experimente E max ~ 1 TeV Indirekte Methoden: Luftschauer-Experimente Power Law Verhalten ~ E Atmosphäre als Kalorimeter G. Drexlin VL Energie [ev]

11 Ballonexperimente - Überblick Experiment Messziele Energiebereich HEAT - High Energy Antimatter Telescope Antimaterie e +, e - Antiprotonen 5-50 GeV GeV CAPRICE - Cosmic AntiParticle Ring Imaging Cherenkov Experiment e +, e - Antiprotonen atmosphärische Myonspektren GeV BESS - Ballone Borne Experiment with Superconducting Solenoidal Spectrometer Antiprotonen Antihelium Element- und Isotopenzusammensetzung GeV GeV ISOMAX - Isotope Magnet Experiment Beryllium 10, Isotope mit 2 < Z < GeV / Nukleon TIGER - Trans-Iron Galactic Element Recorder Elemente 30 < Z < 40 > 0.5 GeV / Nukleon Energiespektren BETS - Electron Telescope with Scintill. fibers Elektronenspektrum GeV RICH - Ring-Imaging Cherenkov Proton- und Heliumspektrum GeV / Nukleon JA CEE - Japanese-American Collaborative Emulsion Experiment Spektren 1 < Z < TeV ATIC - Advanced Thin Ionization Calorimeter Proton- und Heliumspektrum GeV TRACER - Transition Radiation Array for Cosmic Energetic Radiation Spektren 8 < Z < 26 < 10 TeV / Nukleon RUNJOB - Russ.- Nippon Joint Balloon Experim. Spektren Z < 26 < 100 TeV / Nukleon BACH - Balloon Air Cherenkov Experiment Silizium- und Eisenspektren < 1000 TeV / Nukleon G. Drexlin VL27

12 ISOMAX Experiment Ziele von ISOMAX: - Messung von leichten Isotopen, speziell: 9 Be / 10 Be Verhältnis bis zu Energien von einigen GeV/n - Höhe 2.5 m, Masse 2 t oberer ToF oberer Cherenkov obere Driftkammer Isotope Magnet Experiment mittlere Driftkammer s.l. Magnetspulen untere Driftkammer mittlerer ToF unterer Cherenkov unterer ToF harte Landung von ISOMAX G. Drexlin VL27

13 Anzahl dn/e [GeV -1 m -2 s -1 sr -1 ] Chemische Zusammensetzung der CR ~gleicher Index direkte Messungen (Ballonexperim.) E kin [MeV/Nukleon] ALICE: Messung von 16 O bis 56 Fe p = 1 GeV/c Ladung Z ISOMAX: Trennung von 3 He und 4 He ß Flugzeit Rigidität: R = p c / Z e kinetische Energie pro Teilchen (Kern) [GeV] Rigidität R [GeV/c] G. Drexlin VL27

14 relative Häufigkeit kosmische Strahlung - Primärteilchen Zusammensetzung der primären kosmische Strahlung: - 86 % Protonen, 11% Alpha-Teilchen, 1% schwere Kerne, 2% Elektronen - Elementhäufigkeit entspricht nahezu der solaren Verteilung C O Kosm. Strahlung Sonnensystem Fe Ordnungszahl G. Drexlin VL26

15 Luftschauer: Grundlagen & Experimente Luftschauer: entstehen durch Wechselwirkung eines primären hochenergetischen Teilchens in der oberen Atmosphäre, dann sekundäre Teilchen via Kaskaden-/Zerfalls-Prozesse (3 Komponenten) elektromagnetische Komponente - Elektronen, Positronen & Photonen - Kaskadenprozesse, weich myonische Komponente - µ + /µ - mit großer Durchdringungskraft - harte Komponente hadronische Komponente - Hadronen: p, n, Pionen p ±, Kaonen K ± - hohe Ionisationsrate de/dx G. Drexlin VL03

16 Entwicklung eines Luftschauers Modellierung der Teilchenwechselwirkungen in der Atmosphäre ist entscheidend experimentelle Daten für Entwicklung eines Schauers aus Hochenergiephysik Myonen Hadronen G. Drexlin VL03

17 Entwicklung eines Luftschauers Modellierung: Kernwechselwirkungen, Teilchenzerfälle, elektromagnetische Wechselwirkungen, Reaktions-Kinematik Pion-Kern Reaktion g p 16 O 14 N 14 N Primärteilchen (ionisierter Kern) erste Wechselwirkung e p µ n Pionzerfall zweite Wechselwirkung vollständig ionisierter Kern oder Proton µ p p 16 O n G. Drexlin VL03

18 Jets & Schauer an Beschleunigern Methodische Querverbindungen: Teilchen- und Astroteilchenphysik Schauer am LHC-Beschleuniger Beschleuniger: Protonen bis 7 TeV (exakt bekannt) Abdeckung in einer 4p-Geometrie Schauer durch AGN-Beschleuniger Beschleuniger: Protonen bis ev oder Kerne (Primärteilchen ist unbekannt) Abdeckung in enger Vorwärtsrichtung G. Drexlin VL03

19 Jets & Schauer an Beschleunigern Methodische Querverbindungen: Teilchen- und Astroteilchenphysik Schauer am LHC-Beschleuniger Beschleuniger: - sehr hohe Luminosität - bekannte Zeitstruktur Schauer durch AGN-Beschleuniger Beschleuniger: - sehr niedrige Luminosität - unbekannte Zeitstruktur Proton 7 TeV ECAL Collider Experiment 4p Geometrie Detektor 7 TeV Proton ev Proton Kern Fixed Target Experiment Detektor Target (Atmosphäre) G. Drexlin VL03

20 Elektromagnetische Komponente Elektromagnetische Kaskadenprozesse: primäre Teilchen - Elektronen (aus p ± e ± n e ) und Gammas (aus p 0 g g) ~98% aller Teilchen einer Kaskade: Elektronen & Photonen 80 GeV e- Absorber Paarbildung Elektronen Bremsstrahlung Strahlungslänge Paarbildung g e + + e - Bremsstrahlung e ± e ± + g G. Drexlin VL03

21 Paarbildung wichtige Parameter Wirkungsquerschnitt für Paarbildung: Schwellenergie E g,thresh ~ 2 m e = 1.02 MeV [ + O(m e2 / M Kern ) ] paar 9 X 7 0 Paarbildung (e ±, g) Paarbildung Elektronen g e + Kern e G. Drexlin VL03

22 Paarbildung und Gamma-Astronomie Paarbildung: Kinematik erfordert Impulstransfer an Kern (hohes Z) - Absorption des Rückstoßes kann nicht im Vakuum erfolgen (daher Gamma-Astronomie!) Paarbildung (e ±, g) Paarbildung Propagation über Mpc Gamma Ray Burst g e + Kern e - Atmosphäre G. Drexlin VL03

23 Bremsstrahlung wichtige Parameter Bremsstrahlungsverluste: - nehmen linear mit der Energie E zu Elektronen de dx brems 1 X 0 E - nur wichtig für leichte Teilchen (e - e + ), da s Brems ~ 1/m 2 Beispiel: Myon-Elektron Verhältnis de/dx (µ/e) ~ ( m e / m µ ) Bremsstrahlung (e ±, g) Kern e - e - g G. Drexlin VL03

24 Elektromagnetische Komponente Elektromagnetische Kaskadenprozesse: Erdatmosphäre wirkt als massiver Absorber für elektromagnetische Komponente ~80%-95% der Primärenergie wird in Ionisationsenergie umgewandelt 1 Strahlungslänge X 0 - typische Längenskala, nach der bei hochenergetischen Elektronen Elektronen X ihre Energie auf 1/e abgefallen ist durch Emission von Bremsstrahlung E( x) E 0 e hochenergetischen Photonen -X - 7/9 der mittleren freien Weglänge für Paarbildung erreicht ist X 0 X paar G. Drexlin VL03

25 Höhe [km] Elektromagnetische Komponente Elektromagnetische Kaskadenprozesse: Erdatmosphäre entspricht einem elektromagnetischen Kalorimeter mit ~ 25 X 0 Schauerentwicklung abhängig von atmosphärischen Parametern Elektronen X 0 20 X 0 = 304,2 m G. Drexlin VL03 25 P [mbar]

26 atmosphärische Tiefe [g/cm 2 ] X max ~ ln(e 0 /A) Elektromagnetische Komponente Schauerentwicklung: Erdatmosphäre wirkt als massiver Absorber bis zu Teilchen - Schauermaximum X max X 0 Schauergröße N e Elektronen N e (max) ~ E Meereshöhe vertikale Schauer G. Drexlin VL Meereshöhe Schauer unter 30