Aus der Forschung
Radiodetektor zum Messen kosmischer Strahlung in Argentinien. Bild: KIT/Tim Huege
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Neue Detektoren für kosmische Strahlung
Mit seiner Helmholtz-Nachwuchsgruppe am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt Dr. Tim Huege seit 2008 neuartige Detektoren, um die kosmische Strahlung genauer beobachten zu können. Die Teilchen dieser Strahlung sind Atomkerne, die mit teilweise sehr hoher Energie auf die Atmosphäre der Erde treffen. Obwohl sie bereits seit etwa 100 Jahren beobachtet werden, ist ihre genaue Herkunft immer noch unklar. Tim Hueges Ziel ist es, dem Ursprung der kosmischen Strahlung mit neuer Technologie auf die Spur zu kommen.
Herr Huege, warum ist es so schwierig, die kosmische Strahlung zu messen?
Die Teilchen der kosmischen Strahlung erreichen uns nur sehr selten. Teilchen niedriger Energie, die zum Beispiel von der Sonne oder Quellen in unserer Galaxie stammen, kommen recht häufig vor und können mit Satelliten oder Ballons über der Atmosphäre gemessen werden. Aber je höher die Energie der Teilchen ist, desto seltener sind sie. Und gerade die höchstenergetischen Teilchen interessieren uns am meisten, weil sie von den Quellen mit den extremsten Eigenschaften stammen.
Wir haben doch Teilchenbeschleuniger, die neue Teilchen wie das Higgs-Boson erzeugen. Geht das nicht auch mit kosmischer Strahlung?
Nein, die Energie der höchstenergetischen Teilchen ist viel zu groß. Der weltgrößte Beschleunigerring am CERN hat eine Länge von 27 Kilometern. Um Teilchen mit vergleichbar extremer Energie zu erzeugen, bräuchte man einen Ring von der Länge der Umlaufbahn des Merkur (ca. 365 Mio. km). Wir müssen also die kosmischen Teilchen messen. Ab einer bestimmten Energie sind diese aber so selten, dass wir eine extrem große Messfläche benötigen, und die können wir nur auf der Erde anlegen.
Wie groß sind denn die Messflächen?
Viele Quadratkilometer. Darauf sind zahlreiche Detektoren zusammengeschaltet. Am Pierre Auger-Observatorium in Argentinien, der zurzeit größten Beobachtungsanlage für kosmische Strahlung, sind 1.600 Detektoren auf 3.000 Quadratkilometer verteilt. Dort werden zwei verschiedene Detektortypen kombiniert, wir entwickeln nun einen dritten.
Warum braucht man gleich drei Messsysteme für nur ein Teilchen?
Die kosmische Strahlung interagiert mit der Atmosphäre und kommt gar nicht in ihrer ursprünglichen Form am Erdboden an. Sie löst eine Art Lawine aus anderen Teilchen aus, einen so genannten Luftschauer, der am Boden mehrere Kilometer Durchmesser hat und gemessen werden kann. Die Wechselwirkungen in einem Luftschauer sind aber nicht genau verstanden, so dass es Unsicherheiten gibt.
Ein zweiter Effekt – daher auch der zweite Detektortyp – entsteht durch die Anregung des Stickstoffs in der Atmosphäre, die messbare UV-Strahlung erzeugt. Beide Detektortypen haben aber ihre Grenzen: Der eine misst nur einen kleinen Teil der Sekundärteilchen, und der andere funktioniert nur in klaren, dunklen Nächten. Wir brauchen also eine weitere Messgröße, und das ist die Radiostrahlung.
Luftschauer geben kurze Radioimpulse ab. Wir haben nun hochempfindliche Radio-Detektorstationen mit eigener Stromversorgung und Drahtloskommunikation entwickelt. Sie werden in einem 20 Quadratkilometer großen Testareal eingesetzt und könnten später zwischen den anderen Detektoren des Pierre Auger-Observatoriums verteilt werden.
Haben Sie mit Ihren Radiodetektoren denn schon kosmische Strahlung gemessen?
Ja, wir haben große Fortschritte in der Erkennung der Herkunft der Radiostrahlung gemacht. Sie entsteht hauptsächlich bei der Wechselwirkung des Luftschauers mit dem Magnetfeld der Erde und gibt uns in Kombination mit den anderen Detektortypen wichtige Informationen über die Richtung und Energie des Ursprungsteilchens. Auch die Art des Teilchens lässt sich aus der Radiostrahlung ablesen, aber dazu müssen wir die Detektoren und unsere Analysetechniken noch weiter verbessern.
Welche sind die langfristigen Ziele bei der Beobachtung kosmischer Strahlung?
Wir wissen noch sehr wenig über die Quellen und die Physik der Beschleunigung zu den höchsten Energien. Es gibt zwar Theorien, aber die extrem hohe Energie einiger Teilchen lässt sich damit nicht überzeugend erklären. Neue Erkenntnisse können wir daher auch nutzen, um physikalische Modelle zu überprüfen. Dazu wird es aber nötig sein, noch größere Detektoranlagen zu bauen.
Und als „Nebeneffekt“ dieser technologischen Entwicklungen muss man natürlich auch den Ausbildungsaspekt betrachten. Über die Laufzeit meiner Nachwuchsgruppe werden insgesamt fünf Doktor-, drei Diplom- und fünf Bachelorarbeiten abgeschlossen werden.
Apropos Nachwuchsförderung: Laut Helmholtz-Programm endet Ihre Nachwuchsgruppe in diesem Jahr, was passiert dann?
Die Fördergelder für die Nachwuchsgruppe laufen aus, das stimmt. Aber die Evaluation der Gruppe war sehr erfolgreich, so dass mein Zeitvertrag nun in eine permanente Stelle umgewandelt wurde – ein absolutes Alleinstellungsmerkmal der Helmholtz-Nachwuchsgruppen. Auf Basis der Institutsfinanzierung und durch Einwerbung zusätzlicher Drittmittel kann ich also meine Forschungsarbeit fortführen.
Am KIT gibt es ja das YIN, das Young Investigator Network. Gehören Sie auch dazu?
Ja, im YIN sind alle Nachwuchsgruppenleiter des KIT vernetzt – unabhängig von der Art ihrer Nachwuchsgruppe. Das YIN ist eine große Bereicherung für uns. Es bietet uns die Möglichkeit, ein individuell zugeschnittenes Fortbildungsprogramm in Anspruch zu nehmen und schafft eine fachliche Vernetzung durch die finanzielle Unterstützung gemeinsamer Projekte. Und nicht zuletzt dient das YIN als gemeinsame Interessenvertretung der Nachwuchsgruppenleiter am KIT.
