Download - Kosmische Strahlung auf der Erde
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Kosmische Strahlung auf der
Erde Spektrum Zusammensetzung Messmethoden (direkt und indirekt) Magnetfelder
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Beobachtungen in der Astroteilchenphysik Diffuser Hintergrund und Vordergrund (Rauschen)
Instrumentenrauschen Atmosphäre Planetensystem (Sonne) Vordergrundobjekte (Sterne) Galaktische Hintergrundstrahlung (Milchstrasse) Extragalaktische Hintergrundstrahlung
Punktquellen Viele* Ereignisse von einer Position am Himmel
Ausgedehnte Quellen Viele* Ereignisse einer „physikalisch“ zusammenhängenden
Region am Himmel*Viele = ein statistisch relevanter Überschuss im Vergleich zum Hintergrund
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Physikalische Beobachtungsgrößen Ereignis (event)
Teilchensorte (Detektorabhängig) Position am Himmel Energie
Differentieller Fluss: Gesamtfluss:1. Bild (Gesamtfluss pro Ort)
Ausgedehnte Quelle Punktquelle
2. Lichtkurve (Gesamtfluss pro Zeitintervall) Variabilität (Zeitskala?)
3. Diff. Spektrum (Fluss pro Energie …) Potenzgesetz (nicht-thermische Quelle) Schwarzkörperspektrum (thermische Quelle)
dtdAdE
dN
dEdtdAdE
dN
dtdA
dNE
E2
1
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(1)Photonen (>100MeV)Bild, Lichtkurven, Spektren
Beobachteter Gesamtfluss Ausgedehnte Quellen und Punktquellen
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Bild, Lichtkurven, Spektren
Blazar PKS1622-297
Für die Hintergrundstrahlung ist keine Variabilität bekannt.
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Bild, Lichtkurven, Spektren
Diffuse Hintergrundstrahlung Diskrete Quellen
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(2) Neutrinos (>100 TeV) Bild, Lichtkurven, Spektren
Diskrete Quellen Sonne Supernova 1987A
AMANDA II: All sky map(nur Atmosphärische Ereignisse)
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Bild, Lichtkurve, Spektren
Lichtkurve SN1987ANeutrinohintergrund
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(3) Geladene Kosmische Strahlung Bild, Lichtkurven, Spektren
AUGER: (high energy) All-sky map
Keine diskrete Quellen bekannt
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Bild, Lichtkurven, Spektren
Keine diskreteQuellen bekannt
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Bild, Lichtkurven, Spektrum
Variabilität für E<1 GeV11 Jahre : Sonnenfleckenzyklus27 Tage : Sonnenrotation…
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Teilchen der geladenen Komponente Protonen (85%) Heliume (12%) Schwere Kerne (1%) Elektronen Wenig Antiteilchen (Positronen,
Antiprotonen) wahrscheinlich nicht primär beschleunigt
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Elemente-Häufigkeit Vergleich mit solarer
Verteilung Solare Verteilung
entspricht auch in anderen Sternen der Population II
Schlussfolgerung: Teilchen stammen aus Supernovaexplosionen
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Direkte Messmethoden Stratosphärische
Ballons CREAM (cosmic-ray
energetics and mass) 40 km Höhe, Antarktis
PEBS (Positron Elektron Ballon Spektrometer) Entwicklungsphase
PEBS
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SatellitenAMS Antimaterie, Dunkle Materie Pamela, Dunkle Materie
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Detektoren für ionisierende Strahlung Elektrometer Fadenelektrometer Blasenkammer Emulsionsdetektoren Halbleiterdetektoren Szintilationsdetekoren Cherenkovlichtdetektor
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Detektortypen: Photoemulsion Röntgen: X-rays, Becquerel:
Radioaktive Strahlung Sensitiv bezüglich Elektronen
aus Ionisierungsverlusten von geladenen Teilchen
Hohe Konzentration Silberbromid (AgBr) in Gelantine
Geladene Teilchen erzeugen Elektronen entlang ihrer Flugbahn durch das Gel
Es entsteht Silber entlang des Weges
Der Rest wird durchsichtig
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Detektortypen: Halbleiter Geladene Teilchen erzeugen Elektron-
Loch Paare Sensitiver als Gasdetektoren:
Silikon (3.5 eV) Germanium (2.94 eV) Gas ~30 eV für Ionisierung
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Detektortypen: Szintilationsdetektor
KS erzeugte Elektron Elektron erzeugt Photonen in einem Kristall Photonen erzeugen Photoelektronen in Photokathode Photomultiplier vervielfältigt Elektron Nachteil:
Szintilationsmaterial konvertiert nur 3% der Elektronenergie
Kathodeneffizienz ist ca. 10-20% (von 5-10 Photonen an der Photokathode wird nur Elektron frei)
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Messung durch Ionisation Photonen (Lambert-Beer-Bouguer-Gesetz)
ist Absorptionkoeffizient n Anzahldichte Querschnitt der absorbierenden Teilchen
Niederenergetische Teilchen ~eV
Hochenergetische Teilchen nach Bethe-Bloch Formel
n
eIxI x
0)(
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Bethe-Bloch-Formel
Z
C
I
Ecmz
A
ZD
dx
dE e
2
2ln2
1 22
max222
2
2
D = 0.307 MeV cm2/g z, : Ladungszahl und Geschwindigkeit des Teilchens Z, A, : Kernladungszahl, Massenzahl und Dichte des Mediums I ~ 16 Z0.9 eV: effektives Ionisationspotential der Atome des
Mediums Emax : maximaler Energieübertrag auf ein Hüllenelektron, der
sich beim zentralen Stoß ergibt , C sind Dichtekorrekturen bei großen Energien und
Schalenkorrekturen bei kleinen Energien
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Mittlerer Energieverlust
dxdE
dEdx
dxTdx
dEdE
/
)(
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Energieverluste Elektronen
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Beispiel: OGO-1 (1964)
4321 DDDD
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Detektor
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Isotope
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Geladene Komponente (>100 TeV)
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Das Knie Beschleunigungsmechanismen in den Quellen der
kosmischen Strahlung Beitrag unterschiedlicher Elemente
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Geladene Komponente (>1019 eV)
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GZK-Cut-off Wechselwirkung von
hochenergetischen Protonen mit Photonen
Optische Tiefe:d= n() dl Kenneth Greisen, Georgi Zatsepin und Vadem Kuzmin (“GZK cut-off”)
Photon Photon
Photon
Photon
P P+ 0
Pn
e-
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GZK-Cut-off
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GZK-Cut-off Hochenergetische
Ereignisse stammen von Quellen < 50Mpc
Galaktische Quellen ? „Top-Down“ Szenarios Auger bestätigt
Ereignisse >50 EeV Korrelation mit
Supergalaktischen Ebene
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Anisotropie bei den höchsten Energien Galaktisches Magnetfeld
hat fast keinen Einfluss mehr
Gyroradius
G=103 (1TeV): rg=3x1012m = 20AU
Korrelationsstudie möglich
Tabelle AUGER Ereignisse 27 (total),20 (AGB
corr) ,5.0 (erwarte bei Isotropie)
mTBrg )10/(103 99
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Indirekte Beobachtung
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Vortragsthemen Neutrinosuche mit Radiobeobachtungen
Im Eis (Rice) Im Mond (Lunaska, Glue, etc) Lofar
Auf der Suche nach Dunkler Materie AMS Pamela
Photon-Oszillation Paraphotonen Axionen
Kosmische Strahlung bei den höchsten Energien AUGER und AGN