Astroteilchenphysik I

Astroteilchenphysik I Wintersemester 2013/14 Vorlesung # 4, 14.11.2013 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 www.kit.edu

Kosmische Strahlung Energiespektrum Pioniere bei der Erforschung Viktor Hess erster Nachweis (1912) Pierre Auger erste Luftschauer (1939) John Linsley Energien bis 10 20 ev (1961) direkte Messungen (Ballone, Satelliten): Energiespektren von Kernen bis 10 14 ev) Power Law Verhalten F ~ E -2.7..3 2 14.11.2013 G. Drexlin VL04

Wechselwirkungsprozesse in Schauern indirekte Messungen über Luftschauerexperimente am Boden: Primärteilchen-Energien und Massen von 10 13 ev - 10 20 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 3 14.11.2013 G. Drexlin VL04

Schauergröße Elektromagnetische Komponente Schauerentwicklung: Erdatmosphäre wirkt als massiver Absorber - Primärenergien < 10 13 ev erreichen nicht den Erdboden - Lage des Schauermaximums Höhe [km] 4 3 1.5 0 X max ist energieabhängig 10 15 ev 10 8 10 7 10 17 ev 10 16 ev 10 6 10 15 ev Elektronen 10 5 10 14 ev 10 4 10 13 ev 10 3 10 12 ev 10 12 ev 10 2 10 11 ev 10 1 0 10 20 30 atmosphärische Tiefe [X 0 ] 4 14.11.2013 G. Drexlin VL04

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 10 20 ev Atmosphäre 1000 g/cm 2 ECAL ~30 X 0 61200 PbWO 4 X 0 = 0.89 cm X 0 = 300 m (am Boden) 5 14.11.2013 G. Drexlin VL04

g 2.2 µs Myonische Komponente Myonen ( Cosmics ): - Flussdichte in Meereshöhe df/da = 100 m -2 s -1 - Ladungsverhältnis µ + / µ - = 1.2 - 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 6 14.11.2013 G. Drexlin VL04

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 10 20 ev Myonabschirmung im Untergrundlabor Detektor 7 14.11.2013 G. Drexlin VL04

Hadronische Komponente Hadronen: Protonen, Neutronen, Pionen, Kaonen, (0.3% Anteil) lokalisiert im Schauerkern, Erdatmosphäre entspricht ~ 11 hadronischen Wechselwirkungslängen L 1 Hadronische Wechselwirkungen 8 14.11.2013 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

Hadronen an Beschleunigern Methodische Querverbindungen: Teilchen- und Astroteilchenphysik HCAL am LHC-Beschleuniger HCAL für kosm. Beschleuniger Beschleuniger Protonen bis 7 TeV Beschleuniger Protonen bis 10 20 ev Fe-Hadron-(Sampling) Kalorimeter - Eisen: L = 16.8 cm X 0 = 1.76 cm K A S C A D E 9 14.11.2013 G. Drexlin VL04

Schema eines Luftschauers 10 14.11.2013 G. Drexlin VL04

Schema eines Luftschauers elektromagnetische, myonische und hadronische Komponenten Elektronen/Positronen Photonen Myonen Neutronen 15 14.11.2013 G. Drexlin VL04

Schema eines Luftschauers Luftschauersimulation generiert mit dem weitverbreiteten CORSIKA Code Proton mit 10 15 ev Hadronen Elektronen Myonen Neutronen - Dicke & Krümmung der Schauerfront - Hadronen lokalisiert im Schauerkern - Neutronen spät - Verhältnis Myonen/ Elektronen abhängig von Primärteilchen 16 14.11.2013 G. Drexlin VL04

Schema eines Luftschauers Erdatmosphäre als Kalorimeter für die Primärteilchen 10 15 ev Fe-Kern CORSIKA-Simulation 17 14.11.2013 G. Drexlin VL04

Luftschauer Simulation Longitudinalverteilung Lateralverteilung 18 14.11.2013 G. Drexlin VL04

Luftschauer Rekonstruktion Trajektorie Oberflächenarray Longitudinalverteilung X(h) über Fluoreszenzlicht Lateralverteilung r(r) von Myonen & Elektronen 19 14.11.2013 G. Drexlin VL04

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 20 14.11.2013 G. Drexlin VL04 10 3 10 2 10 1 10 0 10-1 PeV-Skala PeV-Skala Elektronen Elektronen Myonen 100 200 300 400 500 600 Abstand zu Schauerzentrum [m]

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 10 0 10-1 Myonen Myonen Elektronen 100 200 300 400 500 600 Abstand zu Schauerzentrum [m] 21 14.11.2013 G. Drexlin VL04

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 = 10 19 ev p X X (g cm -2 ) 22 14.11.2013 G. Drexlin VL04

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 23 14.11.2013 G. Drexlin VL04

Luftschauer Experimente experimentelle Zielesetzungen: - Energiespektrum - Zusammensetzung Fluoreszenz in der Atmosphäre Array am Boden indirekte Messungen (Luftschauer) KASCADE Grande 24 14.11.2013 G. Drexlin VL04

KASCADE Experiment KASCADE - KArlsruhe Shower Core and Array DEtector (1996-2009) Gesamtfläche ~ 200 200 m 2 Messfläche: ~ 2% der Gesamtfläche Hauptkomponenten: Array: 16 16 Detektorstationen Elektronen/Myonen-Detektoren Zentralkalorimeter: TMS - Kammern Hadronen-Nachweis Myontunnel: Myonenverteilung 25 14.11.2013 G. Drexlin VL04

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 26 14.11.2013 G. Drexlin VL04

KASCADE Grande Experiment KASCADE - Grande (1996-2009): - Erweiterung des ursprünglichen Arrays für E = 10 16-10 18 ev zur - Untersuchung des Energiespektrums bei höheren Energien: wird die kosmische Strahlung schwerer (Zunahme von Fe-Kernen?) 27 14.11.2013 G. Drexlin VL04

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 28 14.11.2013 G. Drexlin VL04 6.0 5.0 4.0 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 log 10 (Anzahl Myonen) µ 10 3 10 2 10 1 10 0