IceTop ist der Oberflächendetektor des IceCube Neutrinoteleskops. Es wurde ursprünglich zur Unterstützung von IceCube bei der Suche nach Neutrinos erdacht. Zusätzlich ist IceTop jedoch ein eigenständiger, leistungsfähiger Detektor für kosmische Strahlung.
IceTop ist ein Array aus 81 Stationen, welches eine Fläche von etwa einem Quadratkilometer des antarktischen Eises abdeckt. Die einzelnen Stationen befinden sich oberhalb von IceCube-Bohrlöchern und bestehen jeweils aus zwei mit Eis gefüllten Tanks, welche mit IceCube-Sensoren, sogenannten DOMs, ausgestattet sind.
Die kosmische Strahlung besteht aus hochenergetischen, geladenen Teilchen, welche die Erde zu jedem Zeitpunkt gleich verteilt aus allen Richtungen erreichen. Sie entstehen in hochenergetischen Ereignissen überall im Universum und durchqueren dieses nahe der Lichtgeschwindigkeit. Der Großteil der kosmischen Strahlung besteht aus Protonen, sie enthält aber auch einen kleinen Anteil an Elektronen, Positronen und schwereren Kernen.
Wenn diese Teilchen in die Erdatmosphäre eindringen, wechselwirken sie mit Gasatomen und produzieren dabei Luftschauer mit einer Vielzahl an Sekundärteilchen, welche den Boden teilweise erreichen können. IceTop wurde gebaut, um diese Sekundärteilchen nachzuweisen. Der Nachweis mehrere Teilchen aus demselben Luftschauer ermöglicht es, die Energie und Ankunftsrichtung des ursprünglichen kosmischen Teilchens abzuschätzen.
IceTop ist in der Lage, kosmische Teilchen mit einer Energie zwischen 100 TeV und 1 EeV zu messen. Sowohl als eigenständiges Experiment, als auch in Zusammenarbeit mit IceCube, kann dieser Oberflächendetektor uns Aufschluss über das Energiespektrum der kosmischen Strahlung, ihrer Zusammensetzung (d.h. dem Verhältnis von Protonen zu schwereren Kernen), sowie zur Verteilung der Ankunftsrichtungen liefern.
Was können wir von der kosmischen Strahlung lernen?
Wusstest du, dass die kosmische Strahlung die Teilchen mit der höchsten jeweils gemessenen Energie beinhaltet? Sie erreichen Energien oberhalb von 1020 eV. Dies entspricht in etwa der kinetischen Energie eines Tennisballs bei 160 km/h! Hätte der Tennisball die selbe Geschwindigkeit wie das kosmische Teilchen, würde seine Energie ausreichen, um die Erdbevölkerung für eine Million Jahre mit Energie zu versorgen!
Bei der Untersuchung der kosmischen Strahlung erkunden wir die höchstenergetischen Ereignisse des Universums. Allerdings sind die Teilchen der kosmischen Strahlung geladen und werden daher in den Magnetfeldern des Universums abgelenkt. Daher können wir aus der gemessenen Ankunftsrichtung nicht auf den Ursprung dieser Teilchen schließen.
Galaktische kosmische Strahlung entsteht in einer Vielzahl von Quellen überall in unserer Milchstraße. Als geladene Teilchen erzeugen sie in magnetischen Feldern elektromagnetische Strahlung, welche auf direktem Wege zu uns gelangt. Anhand dieser Strahlung wissen wir zum Beispiel von Supernovaüberresten, wie dem Krebsnebel, dass sie kosmische Strahlung emittieren.
Wissenschaftler spekulieren seit langem über die möglichen Quellen der hochenergetischen kosmischen Strahlung und haben eine Vielzahl an Objekten in und außerhalb unserer Milchstraße vorgeschlagen. Diese konnten allerdings noch nicht verifiziert werden. In der Tat wissen wir bis heute nur sehr wenig über die Eigenschaften der hochenergetischen kosmischen Strahlung. Dies gilt im Besonderen für die extragalaktischen Teilchen, da diese sehr selten sind (siehe obige Abbildung).
Großexperimente wie IceTop oder IceCube sind in der Lage, die hochenergetische, kosmische Strahlung in ausreichender Zahl zu vermessen und können so Aussagen über ihre Eigenschaften treffen. IceCube sucht zudem direkt nach den Quellen der kosmischen Strahlung, indem es die Ankunftsrichtung von elektrisch neutralen Neutrinos erfasst (erfahre mehr zu diesem Thema hier).
