Karl-Heinz Kampert - Bergische Universität Wuppertal

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Karl-Heinz Kampert - Bergische Universität Wuppertal
Astroseminar, Münster 26.-27. 10. 2012
Kosmische
Teilchenbeschleuniger
Eine 100-jährige Suche
mit Wurzeln in Münster
Karl-Heinz Kampert
Karl-Heinz Kampert – University Wuppertal
Universität Wuppertal ([email protected])
1910: La Tour Eiffel et la Science
Theodor Wulf
300 Meter : Abnahme auf 1/15
Ist die Radioaktivität der
Erde verantwortlich für
die Ionisation der Luft ?
?
80 Meter: Abnahme der
Leitfähigkeit auf 1/2
7. August 1912: Messungen bis 5300 m
Entdeckung der kosmischen Strahlung
Aeronautisches Gelände
im Wiener Prater
Victor-Franz Hess 1911
(Nobelpreis 1936)
Karl-Heinz Kampert – Bergische Universität Wuppertal
verwendetes
Elektroskop
7. August 1912: Messungen bis 5300 m
Entdeckung der kosmischen Strahlung
Strahlungsintensität steigt oberhalb
2000 m deutlich an
ð Begriff der “Höhenstrahlung”
➨ ... durchdringende Strahlung
aus dem Weltraum
Aeronautisches Gelände
im Wiener Prater
Strahlungsintensität
Erster Bericht am
50
12. Sept. 1912 in Münster !
Apparat 1
Apparat 2
40
30
20
10
Victor-Franz Hess 1911
(Nobelpreis 1936)
Karl-Heinz Kampert – Bergische Universität Wuppertal
0
0
2000
4000
Höhe (m)
6000
Messungen im Hochgebirge
1938: Pierre Auger und P. Ehrenfest, Jr. am Jungfraujoch
MSnchgi~ofel ~tlOSI~.~ Meet
14~rk~rung
A uFriB
l
0
9 f
Grundr/13
Fig, 1. Der
Messungen im Hochgebirge
1938: Pierre Auger und P. Ehrenfest, Jr. am Jungfraujoch
Beobachtung:
~100 m voneinander
entfernte Detektoren
messen gleichzeitig
Teilchen !
MSnchgi~ofel ~tlOSI~.~ Meet
14~rk~rung
A uFriB
l
0
9 f
Erklärung:
Grundr/13
Fig, 1. Der
Dies sind Sekundärteilchen aus Luftschauern
Teilchenschauer in Nebelkammer und Luft
Computersimulation eines Luftschauers
ca. 30 Minuten CPU-Zeit, abh. von der Primärenergie (bis ca. 30 Std/Schauer)
Teilchenschauer:
Mit dem Ohr am Boden
Primärteilchen: Proton
Primärteilchen: Eisenkern
Primärteilchen: Photon
Messdaten
Simulationen: D. Kümpel (BUW)
Energiespektrum der Kosm. Str.
32 Größenordnungen
log(Fluss)
1 Ereignis pro m2 und Sek
32 Größenordnungen:
Haar
„Knie“
(1 pro m2-Jahr)
Universum
γ≈ 2.7 - 3.0
„Knöchel“
(1 pro km2-Jahr)
log(Energie/eV)
Karl-Heinz Kampert – Bergische Universität Wuppertal
8
Strukturen im Energiespektrum
Scaled flux E2.5 J(E) (m -2 sec -1 sr -1 eV 1.5 )
Equivalent c.m. energy spp (GeV)
1019
102
10
3
104
10
6
HiRes-MIA
KASCADE (QGSJET 01)
KASCADE (SIBYLL 2.1)
KASCADE-Grande (prel.)
Tibet ASg (SIBYLL 2.1)
HiRes I
Abbild
des Nicht-Thermischen Universums
HiRes II
RUNJOB
PROTON
~E-2.7
10
5
courtesy R. Engel
ATIC
1018
10
Auger SD 2008
„Knee“
17
~E-3.1
1016
10
10
„Ankle“
15
14
1013
Strahlenergie der
HERA (e -p)
ProtonenTevatron
im LHC
RHIC (p-p)
(p-p)
10
13
1014
10
15
„GZK?“
LHC (p-p)
10
16
1017
10
Particle Energy (eV)
9
18
10
19
10
20
Kosmische Strahlung, bisheriger Energierekord:
Irdische
Teilchenbeschleuniger
20
300 EeV = 3·10 eV = 50 Mio * LHC-Energie !
LHC
größter Teilchenbeschleuniger
auf der Erde
Maximalenergie:
7 TeV = 7·1012 eV = 7 Billionen eV
Karl-Heinz Kampert – Bergische Universität Wuppertal
10
Super-LHC: Erdumlaufbahn um Sonne
Bei festem Magnetfeld wächst die erforderliche
Beschleunigergröße linear mit der Teilchenenergie
Super- Do
oper
LH
C
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11
Die Jahrhundertfragen…
Woher kommen diese
kosmischen Eindringlinge?
Wie entstehen sie?
Setzt die Natur
ihnen Grenzen ?
Jahrtausendfrage...
Sind wir alle nur
Teil einer
Computersimulation,
der „Matrix“?
Karl-Heinz Kampert – Univ. Wuppertal
13
http://arxiv.org/abs/1210.1847
Karl-Heinz Kampert – Univ. Wuppertal
14
Strukturen im Energiespektrum
Scaled flux E2.5 J(E) (m -2 sec -1 sr -1 eV 1.5 )
Equivalent c.m. energy spp (GeV)
1019
102
10
3
104
5
10
6
courtesy R. Engel
ATIC
10
10
PROTON
Galakt. CRs?
18
RUNJOB
HiRes-MIA
KASCADE (QGSJET
01)
Diffusionsverluste
aus Galaxis HiRes I
KASCADE (SIBYLL 2.1)
KASCADE-Grande (prel.)
HiRes II
Tibet ASg (SIBYLL 2.1)
Auger SD 2008
p,He-knee
1017
Fe-knee
1016
1015
10
10
14
Extragal. CRs?
SNR ?
AGN ?
Gleiche Physik
wie am Knie?
SNR?
magn. Einschluss
Tevatron (p-p)
➠ Emax ~ Z
HERA (e -p)
RHIC (p-p)
LHC (p-p)
extragal.
Komponentep
Fe
13
10
13
1014
10
15
10
16
1017
10
Particle Energy (eV)
15
18
10
19
10
20
?
Greisen-Zatsepin-Kuz‘min (GZK) Effekt
π
p
p
E0
p
E1<E0
π
E2<E1
Energieverlust in der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung sobald das
Proton eine Maximalenergie von E0=5·1019 eV überschreitet
➙ Teilchen höherer Energie können nur aus dem kosmologischen
Vorgarten kommen!
Diese Grenzenergie (GZK-Effekt) wurde bereits 1966 vorhergesagt!
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17
Das Universum im Umkreis von 60 Mpc (~200 MLj)
Karl-Heinz Kampert – University Wuppertal
Kosmische Teilchenbeschleuniger
GRB
white dwarfts
10 6
Active Galactic Nuclei ?
LHC
eV
on
ot
pr
Fe
Magnetic Fieldstrength (Gauß)
Active Galactic
Nuclei (AGN)
20
SNR
Emax ~ βs·z·B·L
10
LHC
10 12
GRB ?
Neutron Stars
1
jets from radio
galaxies
Interplanetary
Space
10 –6
SNR
{
disk
Galact. halo
Hillas Diagramm
1km
AGN-Jets
10 6 km
1AU
Milky-Way
Galactic
Clusters
IGM
1pc 1kpc 1Mpc
Size
19
Colliding Galaxies
Radioaufnahmen kosmischer Beschleuniger
Supernova Überreste
Akkretierende
Superm. Schwarze Löcher
E < 1016 eV Cygnus A
Cas A
(250 Mpc)
(3.4 kpc)
E ~ 10
20
eV ?
NRAO/AUI
1.4 , 5, & 8.4 GHz
Karl-Heinz Kampert – University Wuppertal
Fornax A
(20 Mpc)
Schwarze Löcher (~ 10 Mrd Sonnenmassen)
als kosmische Beschleuniger ??
E=mc2
Schwarze Löcher sind die effizientesten und ,saubersten‘
„Motoren“ des Universums
bis ~42% der Ruhemasse einfallender Teilchen wird als Energie abgestrahlt !
1000 MWh Kraftwerk könnte 15 Monate lang mit einem 1 kg
Masse (Hausmüll) betrieben werden
Tatsächlich:
2400 Tonnen Braunkohle pro Stunde notwendig !
Karl-Heinz Kampert
– Bergische Universität Wuppertal
Wie muss ein Observatorium zum Nachweis
der höchstenergetischen Teilchen des
Universums gebaut sein ?
Teilchen dieser Art treffen
ca. alle 6 Sekunden auf
die Erde, ...
…d.h. einmal pro km2
und Jahrhundert !!
Herausforderung:
• Wie misst man solche Teilchen ?
• ... und das trotz der phantastisch geringen Rate ?
3000 km2
è 1 pro Woche
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SANTIAGO
ARGENTINIEN:
~38.5 Mio Einwohner
(12 Mio allein in Buenos Aires)
7.5-fache Fläche
Deutschlands
Pierre Auger Observatorium
Pampa Amarilla; Provinz Mendoza
3000 km2, 875 g/cm2, 1400 m
LOMA AMARILLA
35.5° Süd
~ 80 km
Konzept: Hybrid-Technik
1600 Teilchendetektoren
auf 1.5 km Raster
ð 3000 km2 Fläche
gleichzeitig optische
Beobachtung der Leuchtspur am Himmel mit
24 Teleskopen (4 Orte)
(Fluoreszenzeffekt)
~ 70 km
Ein Fangnetz für kosmische
Teilchenschauer
1500 m
Autonomer Teilchendetektor
Wassertonne
Kommunikationsantenne
GPS Antenne
Elektronik Abdeckung
Solarzellen
Batterie
Name
Plastik Tank
3 – Photoverfielfacher
gefüllt mit
12 Tonen Wasser
Karl-Heinz Kampert – Bergische Universität Wuppertal
Karl-Heinz Kampert – Bergische Universität Wuppertal
Karl-Heinz Kampert – Bergische Universität Wuppertal
... Hilfe in der Nähe
Karl-Heinz Kampert – Bergische Universität Wuppertal
Letzter Tank: 16.06.2008
... Hilfe in der Nähe
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Fußabdruck eines Luftschauers
8×15 km
•
Fußabdruck eines Luftschauers
8×15 km
•
Auger Hybrid Observatory
Auger Hybrid Observatory
GoogleEarth
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36
Pierre Auger Observatorium
... heute
Karl-Heinz Kampert – University Wuppertal
Stonehenge Observatorium
... gestern
37
60 Watt „Glühbirnen“ mit
Lichtgeschwindigkeit
.
bis 40 km Entfernung
.
„Film“ eines Luftschauers
Kamera mit 440 Pixeln
(10 Mio. Aufnahmen/sec)
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Stereo Hybrid Beobachtung
Ein Luftschauer wird gleichzeitig
von Detektoren am Boden und
von Teleskopen beobachtet
Der Nebel lichtet sich...
Die höchstenergetischen Teilchen kommen bevorzugt aus
den Richtungen benachbarter AGN !
+60
aktive
Galaxien
+30
gemessene
Ereignisse
60
Virgo A
120
240
180
-30
Centaurus A
Fornax A
-60
Karl-Heinz Kampert – Bergische Universität Wuppertal
300
Centaurus A: die nächste aktive Galaxie
Mond zum Größenvergleich
42
Klare Beobachtung einer Flußunterdrückung
1019
1018
10
RHIC (p-p)
HERA ( -p)
3
spp
(GeV)
104
Tevatron (p-p)
10
5
10
6
HiRes-MIA
HiRes I
HiRes II
Auger 2011
TA 2011 (prelim.)
7 TeV 14 TeV
LHC (p-p)
Ist das der GZK-Effekt ?
1017
Scaled flux E
2.5
J(E) (m-2 s-1 sr-1 eV1.5)
Equivalent c.m. energy
102
1016
1015
KASCADE (QGSJET 01)
KASCADE (SIBYLL 2.1)
ATIC
PROTON
1014
1013
RUNJOB
13
10
log(E/eV)
KASCADE-Grande 2009
Tibet ASg (SIBYLL 2.1)
1014
15
10
10
16
1017
18
10
19
10
18.5
19
19.5
20
20.5
(eV/particle)
E3 J(E) (km–2 yr–1 sr–1 eV2)
Energy
18
20
10
1038
γ1=3.27±0.01
γ1=2.63±0.02
OBSERVATORY
log(Eankle)=18.62±0.01
log(Ecut-off)=
19.63±0.02
1037
/ndf=33.7/16=2.3
2
1019
1018
Karl-Heinz Kampert – University Wuppertal
43
Energy (eV)
1020
Bochum, June 4, 2012
...oder geht den Beschleunigern die Luft aus?
(Allard, arXiv:1111.3290)
Beobachtungen zeigen in der
Tat schwere Atomkerne bei
höchsten Energien
RMS(Xmax) [g/cm2 ]
Flucutations of Xmax
70
proton
60
50
40
30
Iron
20
10
10
18
10
19
10
20
lg(E/eV)
Protons Emax,p = 1018.4 eV
Iron Emax, Fe = 26 Emax,p
= 1020 eV
Karl-Heinz Kampert – University Wuppertal
44
Bochum, June 4, 2012
Jahrtausendfrage...
bleibt noch
unbeantwortet, da
GZK-Effekt noch nicht
mit absoluter Sicherheit
nachgewiesen wurde
aber wir sind kurz davor...!
Karl-Heinz Kampert – Univ. Wuppertal
45
Zudem:
Sollten wir nur ein Teil
einer Computersimulation
sein, könnten wir das
Simulationsgitter schon
bald erkennen ...
Die Auger Kollaboration marschiert weiter...
...diskutiert, stärkt
und entspannt sich
Karl-Heinz Kampert – Bergische Universität Wuppertal
...diskutiert, stärkt
und entspannt sich
Karl-Heinz Kampert – Bergische Universität Wuppertal
http://auger.uni-wuppertal.de/ED/
Karl-Heinz Kampert – University Wuppertal
48
http://auger.uni-wuppertal.de/ED/
http://auger.uni-wuppertal.de/ED/
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