Karl-Heinz Kampert - Bergische Universität Wuppertal

Transcrição

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)
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)
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
10
Super-LHC: Erdumlaufbahn um Sonne
Bei festem Magnetfeld wächst die erforderliche
Beschleunigergröße linear mit der Teilchenenergie
Super- Do
oper
LH
C
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
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-Grande (prel.)
HiRes II
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!
17
Das Universum im Umkreis von 60 Mpc (~200 MLj)
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
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
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
... Hilfe in der Nähe
Letzter Tank: 16.06.2008
... Hilfe in der Nähe
Fußabdruck eines Luftschauers
8×15 km
•
Fußabdruck eines Luftschauers
8×15 km
•
Auger Hybrid Observatory
Auger Hybrid Observatory
GoogleEarth
36
Pierre Auger Observatorium
... heute
Stonehenge Observatorium
... gestern
37
60 Watt „Glühbirnen“ mit
Lichtgeschwindigkeit
.
bis 40 km Entfernung
.
„Film“ eines Luftschauers
Kamera mit 440 Pixeln
(10 Mio. Aufnahmen/sec)
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
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)
ATIC
PROTON
1014
1013
RUNJOB
13
10
log(E/eV)
KASCADE-Grande 2009
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
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
44
Bochum, June 4, 2012
Jahrtausendfrage...
bleibt noch
unbeantwortet, da
GZK-Effekt noch nicht
mit absoluter Sicherheit
nachgewiesen wurde
aber wir sind kurz davor...!
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
...diskutiert, stärkt
und entspannt sich
http://auger.uni-wuppertal.de/ED/
48
49

Karl-Heinz Kampert - Bergische Universität Wuppertal

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