Aus der Forschung
Kosmische Strahlung, massive Teilchen aus dem Universum, lösen in der Erdatmosphäre Schauer von Teilchen aus, die am Erdboden mit dem Experiment KASCADE-Grande nachgewiesen werden. Grafik: Tim Otto Roth/KIT
Weitere Informationen:
Veröffentlichung im Physical Review Letters:
Kneelike Structure in the Spectrum of the Heavy Component of Cosmic Rays Observed with KASCADE-Grande
W. D. Apel et al. (KASCADE-Grande Collaboration)
Knick in der kosmischen Strahlung verstanden
Kosmische Teilchen können in der Atmosphäre so genannte Teilchenschauer auslösen, die sich in Bodenexperimenten wie KASCADE-Grande am KIT vermessen lassen. Aus den Daten lassen sich Masse, Energie und Herkunftsrichtung der Primärteilchen ermitteln. Dabei sinkt der Teilchenfluss mit zunehmender Energie. Allerdings weist dieses Energiespektrum Knicke auf, an denen sich die Steigung ändert.
Nun konnte eine internationale Kooperation von Astrophysikern am KASCADE-Grande-Experiment das Energiespektrum und die Elementzusammensetzung der kosmischen Teilchen erstmals bis zu 1018 Elektronenvolt messen und diese Knickstellen erklären. „Das erste „Knie“ im Spektrum befindet sich bei etwa 4*1015 Elektronenvolt, denn bei höherer Energie fehlen einfach die Wasserstoffatome“, erklärt Dr. Andreas Haungs vom KIT, der das KASCADE-Grande Experiment leitet. Wasserstoff ist bei niedrigen Energien das häufigste Element, auch bei der kosmischen Strahlung, so dass der Teilchenfluss oberhalb von 1015 eV deutlich abknickt.
Bei noch höherer Energie verschwinden sukzessive schwerere Elemente aus dem Spektrum der kosmischen Strahlung. Der nächste sehr deutliche Knick befindet sich bei 1017 eV, einer Energie, die exakt dem 26fachen des Wasserstoffknies entspricht. „Hier brechen die Eisenatomkerne weg“, erklärt Haungs. Denn Eisenatome kommen als Endprodukte von Fusionsprozessen im Sterninneren ebenfalls sehr häufig vor, können aber aufgrund ihrer 26fachen Kernladung durch die elektromagnetischen Felder der kosmischen Beschleuniger auch stärker beschleunigt werden, und zwar genau auf 26fach höhere Energie als Wasserstoffatome.
„Damit hat KASCADE-Grande gezeigt, dass aus unserer Milchstraße nur Teilchen mit bis zu Energien um 1017 Elektronenvolt auf die Erde kommen.“ Teilchen, die mit noch höherer Energie die Erde erreichen, müssen dann extragalaktisch, zum Beispiel in Schwarzen Löchern anderer Galaxien erzeugt worden sein. Aufschluss über solche hochenergetischen Teilchen aus fremden Galaxien sollen in den nächsten Jahren die Messungen am Pierre Auger Observatorium in Argentinien geben, an dessen Aufbau und Auswertung das KIT ebenfalls beteiligt ist.
Das KASCADE-Grande Projekt wird nun Ende dieses Jahres endgültig abgeschaltet. Es wurde durch eine internationale Kollaboration mit Wissenschaftlern aus Mexiko, Italien, Polen, Rumänien, Brasilien und den Niederlanden betrieben.
