Extragalaktische Strahlung mit Knie und Knöchel

  • 26. April 2013

Spektrum kosmischer Strahlung weist auf die Entstehung höchstenergetischer Teilchen außerhalb der Milchstraße hin.

Nach den Daten des KASCADE-Grande-Experimentes des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) tritt das sogenannte „Knie“ der kosmischen Strahlung, ein Abknicken des Energiespektrums bei hohen Energien, für leichte und schwere Teilchen bei unterschiedlichen Energien auf. Bei den leichten Teilchen flacht das Energiespektrum bei Energien jenseits des Knies wieder ab und bildet eine Art „Knöchel“. Diese Struktur ist ein Hinweis, dass die Teilchen der kosmischen Strahlung mit Energien jenseits des Knies nicht in der Milchstraße, sondern in anderen Galaxien beschleunigt werden.

Mit dem Messfeld KASCADE-Grande auf dem Gelände des KIT untersuchten die Wissenschaftler Teilchenschauer, die durch kosmische Strahlung ausgelöst werden.

Abb.: Mit dem Messfeld KASCADE-Grande auf dem Gelände des KIT untersuchten die Wissenschaftler Teilchenschauer, die durch kosmische Strahlung ausgelöst werden. (Bild: KIT)



Die Position des Knies scheint dabei mit der Ladung der Atomkerne zu variieren: KASCADE-Grande detektierte das „Eisen-Knie“ bei 26-mal höherer Energie als ein Knie im Spektrum der Wasserstoffkerne. Aktuelle Ergebnisse des Experiments zeigen ein Abflachen (auch „Anti-Knie“ oder „Knöchel“) des Spektrums leichter Primärteilchen oberhalb einer Energie von 1017 Elektronenvolt. Diese Struktur ist ein Hinweis auf das Auftreten einer neuen extragalaktischen Komponente der kosmischen Strahlung.

KASCADE-Grande war ein Messfeld für kosmische Strahlung auf dem Gelände des KIT-Campus Nord. Das mit 37 Detektorstationen erweiterte Experiment konnte über mehr als ein Jahrzehnt Teilchenschauer messen, die von hochenergetischer primärer kosmischer Strahlung ausgelöst werden. „Mit KASCADE-Grande konnten Schauer von Sekundärteilchen gemessen werden, die von Primärteilchen kosmischen Ursprungs mit Energien von 1014 bis 1018 Elektronenvolt erzeugt wurden“, erklärt Andreas Haungs, der das Projekt am KIT leitet. Das liegt um mehrere Größenordnungen über den Energien, die die größten Teilchenbeschleuniger auf der Erde erreichen. Das weltweit bekannte und anerkannte Experiment wurde im vergangenen Jahr endgültig abgeschaltet, konnte aber bei der Gesamtanalyse aller genommenen Daten nun noch einmal ein wissenschaftliches Highlight entdecken.

 Das Spektrum der kosmischen Strahlung mit Knie und Knöchel.

Abb.: Das Spektrum der kosmischen Strahlung mit Knie und Knöchel. Während das Knie für leichte und schwere Primärteilchen bei verschiedenen Energien auftritt, ist jetzt von KASCADE-Grande erstmals eine knöchelartige Struktur bei leichten Primärteilchen detektiert worden. (Bild: KIT)

Der Fluss der kosmischen Strahlung, also der Primärteilchen, die wohl überall im Universum zu finden sind, nimmt mit zunehmender Energie der Teilchen stark ab. Ewas oberhalb einer Energie von 1015 Elektronenvolt ändert sich die „Steilheit“ der Flussabnahme: Dadurch entsteht ein Knick im Spektrum, das „Knie“ der kosmischen Strahlung. KASCADE-Grande konnte zeigen, dass das Knie für leichte und schwere Elemente bei unterschiedlichen Energien auftritt, und dass dieser Unterschied mit der Ladung zusammenhängt. Doch woher kommt das Knie und warum ist dessen Ursache abhängig von der Ladung des kosmischen Teilchens? Eine mögliche Erklärung hierfür geben die Magnetfelder in der näheren Umgebung der kosmischen Beschleuniger. Diese funktionieren zu hohen Energien hin effektiver für Teilchen mit höherer Ladung. Zudem besitzt unsere eigene Galaxie eine magnetische Hülle, die ein Entweichen eines Großteils der Teilchen aus unserer Milchstraße verhindert. Aus den bisherigen Ergebnissen schlossen die Forscher, dass die primären Partikel der kosmischen Strahlung nur bis zu Energien um 1017 Elektronenvolt in unserer Milchstraße erzeugt und gespeichert werden können.

Teilchen mit noch höherer Energie haben demnach ihren Ursprung außerhalb der Milchstraße. Der Übergang von einer galaktischen zu einer extragalaktischen kosmischen Strahlung wird im Energiebereich von knapp oberhalb 1018 Elektronenvolt, beim sogenannten „Knöchel“ des Spektrums vermutet. Der Übergang zu einer überwiegend extragalaktischen kosmischen Strahlung sollte also zuerst im Energiespektrum der leichten Primärteilchen sichtbar werden, da zunächst diese aus ihrer Heimatgalaxie entweichen.

Die jetzt gelungene Identifizierung einer knöchelartigen Struktur in der leichten Komponente schon bei relativ niedrigen Energien bevorzugt Theorien, die einen frühen Beitrag der extragalaktischen kosmischen Strahlung vorhersagen. „Ob es sich bei den von KASCADE-Grande gemessenen hochenergetischen leichten Primärteilchen tatsächlich um Atomkerne aus einer anderen Galaxie handelt, kann aber erst durch die Hinzunahme zukünftiger Ergebnisse anderer Experimente, die das Spektrum bei den höchsten Energien untersuchen, bestätigt werden“, gibt Sven Schoo, der als Diplomand am KIT federführend die Analyse durchgeführt hat, schon einen Ausblick.

Eines dieser Experimente ist das Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien, an dessen Aufbau und wissenschaftlicher Auswertung das KIT ebenfalls beteiligt ist. KASCADE-Grande wird nach Beendigung der Messphase momentan abgebaut, die genommenen Daten unterliegen aber noch der detaillierten Analyse zu verschiedenen Fragestellungen in der Astroteilchenphysik.

KIT / DE

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