Erfahre mehr über IceTop und die kosmische Strahlung

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.

Luftaufnahme des IceTop-Detektors nahe der Amundsen-Scott-Südpolstation. Jeder Kreis zeigt die Position einer IceTop-Station sowie eines IceCube-Strings an. Die Farbe repräsentiert des Baujahr.

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 durchquert 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 100 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!

Das Energiespektrum der kosmischen Strahlung. Die Energieeinheit Elektronenvolt (eV) wird von Physikern genutzt um die Energie und Masse relativistischer Teilchen einfacher beschreiben zu können. Bei einer typischen chemischen Reaktion werden einzelne eV freigesetzt.  Kernreaktionen hingegen spielen sich auf der Größenordnung einiger Millionen eV ab (MeV). Der höchstenergetische Teilchenbeschleuniger auf der Erde, der LHC, beschleunigt Protonen auf mehrere TeV (Millionen MeV). Die Teilchen des kosmischen Strahlung erreichen Energien oberhalb einiger Hundert EeV (Millionen TeV). Image: http://bit.ly/17gvx8C

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, das 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 Statistik 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).