Energie-Spektrum der kosmischen Strahlen

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IceTop ist ein Detektor für kosmische Strahlung. Er besteht aus einem Gitter aus Meßstationen, welche Sekundärteilchen aus einem Luftschauer aufzeichnen, die wiederum bei der Wechselwirkung eines kosmischen Strahls mit der Erdatmosphäre erzeugt wurden. Die so gesammelten Daten erlauben es uns, die Zusammensetzung der kosmischen Strahlen zu studieren, die Verteilung ihrer Einfallsrichtungen und ihr Energie-Spektrum.

Kosmische Strahlen sind Teilchen, wie das Elektron, das Proton, oder schwere Atomkerne. Ihre genauen Quellen sind noch nicht bekannt, aber wir erwarten dass es welche in und außerhalb unserer Galaxie gibt. Das Energie-Spektrum der kosmischen Strahlen - es beschreibt wie häufig kosmische Strahlen mit einer bestimmten Energie auf der Erde ankommen - wurde schon von einigen Detektoren gemessen, aber besonders genau zuletzt von IceTop. Wir erwarten, dass der Anteil kosmischer Strahlen von außergalaktische Quellen mit der Energie zunimmt, und dass allein außergalaktische Quellen für die sehr hochenergetische kosmische Strahlen verantwortlich sind.

Die genaue Vermessung des Energie-Spektrums der kosmischen Strahlen hilft uns dabei, mehr über den Übergang von der galaktischen zur außergalaktischen Strahlung zu lernen, und dadurch etwas über die Eigenschaften der jeweiligen Quellen.

IceTop weißt kosmische Strahlen im Energie-Bereich von 100 TeV bis 1 EeV nach, gerade dort wo wir den Übergang von galaktischen zu außergalaktischen Quellen vermuten.

Allerdings lässt sich die Rate an kosmischen Strahlen, die IceTop misst, nicht direkt mit anderen Experimenten vergleichen. Kannst du dir eine Größe vorstellen, die man benutzen kann um die Ergebnisse von mehreren Detektoren zu vergleichen?

Tipp: Die Zahl der kosmischen Strahlen, die ein Detektor beobachtet, hängt von seiner Geometrie und seinem Ort ab.

Physiker nutzen den Fluss der kosmischen Strahlen - die Rate der ankommenden kosmischen Strahlen pro Ankunftsfläche und Öffnungswinkel am Himmel - um Messungen verschiedener Detektoren zu vergleichen.

 

Was misst IceTop?

Werfen wir einen Blick darauf was IceTop wahrnimmt und misst.

Here haben wir zwei simulierte Luftschauer, erzeugt von kosmischen Strahlen.

Quelle: https://web.ikp.kit.edu/corsika/movies/Movies.htm

In beiden Fällen ist es Proton mit 100 TeV. Links ist es ein senkrechter Schauer. Rechts ist es ein Schauer mit einer Neigung von 30 Grad.

Wie du in den Filmen siehst, können für jeden kosmischen Strahl Millionen oder mehr Teilchen auf den Boden treffen. IceTop zeichnet nur ein paar davon auf.

 Kannst du einige Eigenschaften eines Luftschauers bennen, mit denen sie sich unterscheiden lassen?

Sieh dir nun an, wie IceTop einen kosmischen Strahl aufzeichnet.

Mehrere IceTop-Meßstationen leuchten für jeden kosmischen Strahl auf. Jede zeichnet den Durchgang eines oder mehrerer Teilchen auf, aus denen der Luftschauer besteht. Eine rote Farbe zeigt die Meßstation an, die zuerst getroffen wurde, während grün und gelb spätere Treffer anzeigen. Die Größe der farbigen Kreise wächst mit der gemessenen Energie in dieser Meßstation.

 Können wir die Richtung der einfallenden kosmischen Strahlen herausfinden, indem wir das Lichtmuster in IceTop untersuchen? Und wie steht es mit dem Luftschauerzentrum?

Zur Erinnerung: IceTop zeichnet Elektronen, Photonen, Myonen, und geladene Hadronen im Schauer auf, dank des blauen Lichts, genannt Tscherenkov-Licht, welches die Teilchen erzeugen wenn sie die Meßstation passieren. Schau, die Teilchen aus einem Kernreaktor erzeugen ebenfalls Tscherenkov-Licht.

 Können wir etwas über die Energie der einfallenden kosmischen Strahlen aus der Messung der Energie im IceTop-Detektor lernen?

Tipp: Physiker haben die von kosmischen Strahlen erzeugten Luftschauer lange Zeit studiert. Wir wissen wie man sie im Computer nachbildet, und welche Signale wir in IceTop erwarten. Wir haben gelernt, dass Luftschauer mit der Energie wachsen, das heißt die Energie die IceTop misst ist ein Maß für die Energie des ursprünglichen kosmischen Strahls.

Schau dir hier einige Ereignisse in IceTop an. Einige sind echt, andere sind nur Computersimulationen. Kannst du erraten welche welche sind? Du wirst sehen, dass sie kaum zu unterscheiden sind.

Schau dir die Ereignisse nochmal an, aber diesmal versuche die Schauerstärke zu messen. Benutz dafür die unterschiedlichen Darstellungen (siehe Abbildung unten). Versuche das Zentrum des Schauers richtig zu positionieren (rechte Darstellung), und passe die erwartete seitliche Verteilung an die Messung an (linke Darstellung). Ändere dafür auch die Richtung des rekonstruierten Schauers, indem du die Zenit- und Azimutwinkel anpasst. Speichere schließlich dein Ergebnis, sobald du alle Ereignisse durch hast.

Tipp: Die Schauerfront sollte flach aussehen. Die gestrichelte Linie in der Darstellung oben-rechts ist die Schnittline der Schauerfront mit dem Boden, sie ist also senkrecht zur Einfallsrichtung.

 

Energie-Kalibrierung und der Fluss der kosmischen Strahlen

Mit Hilfe deiner Resultate kalibrieren wir erstmal den Detektor. Nutze die Tabelle der simulierten Ereignisse dafür (das sind die bei denen eine Energie schon eingetragen ist, also E > 0).

Tipp: Jedes Ereignis, ob echt oder simuliert, hat auch ein Gewicht in deiner Tabelle. Das ist so, weil die von dir untersuchten Ereignisse schon vorgefiltert wurden. IceTop sieht Tausende von kosmischen Strahlen jeden Tag, und alle so zu untersuchen wäre doch etwas mühsam. Die Ereignisse, die du erkundet hast, sind aber repräsentativ für die vielen, die an einem Tag gemessen werden. Das Gewicht sagt, wie viele andere Ereignisse mit einer jeweils ähnlichen Größe in dem Datensatz von einem Tag vorkamen. Der Zusammenhang zwischen der Einfallsrate der kosmischen Strahlen und der Energie ist ein Potenzgesetz. Benutze eine logarithmische Skalierung, um eine einfache Kalibrierungskurve zu erhalten.

Jetzt kannst du die Kalibrierungskurve benutzen, um die Energie der echten Ereignisse zu bestimmen, und den energieabhängigen Fluss der kosmischen Strahlen mit IceTop zu berechnen.

Tipp: Erinnere dich, dass wir die Rate relativ zur Belichtungfläche unseres Detektors angeben müssen. Wenn du alle echten Ereignisse deiner Farbe benutzt, hast du 1/6 eines vollen IceTop-Tages an Daten, das sind 8.186 109 m2 sr s. Vergiss nicht, auch durch die Breite jedes Energie-Intervalls zu teilen.

Wenn du mit den Ergebnissen aus dem echten wissenschaftlichen Artikel der IceCube-Kollaboration vergleichen willst, bekommst du ein besseres Ergebnis wenn alle sechs Datensätze aus der IceTop Online-Analyse zusammengeführt werden.

 

Herzlichen Glückwunsch! Du hast ein echtes wissenschaftliches Ergebnis der IceCube-Kollaboration reproduziert, welches im Magazin Physical Review D im August 2013 veröffentlicht wurde. Du kannst den Artikel hier nachlesen.

 

Weitere Informationen:

Lies Nachrichten über diese Analyse auf der IceCube-Webseite.