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Neue Eigenschaften in der kosmischen Strahlung entdeckt

Einer ForscherInnengruppe unter Beteiligung der Universität Siegen ist es gelungen, die bisher präziseste Messung von hochenergetischen Teilchen in der kosmischen Strahlung durchzuführen.

In der Astroteilchenphysik braucht man einen langen Atem. Seit über 15 Jahren forschen WissenschaftlerInnen der Universität Siegen bereits in Argentinien am Pierre-Auger-Observatorium. Dort befindet sich das weltweit größte Experiment zur Beobachtung von Luftschauern, das heißt von Teilchenschauern, die in der Erdatmosphäre durch die kosmische Strahlung ausgelöst werden. Die Siegener ForscherInnen haben sich auf die Teilchen im Universum spezialisiert, die eine solch hohe Energie haben, dass man sie sich als Mensch gar nicht wirklich vorstellen kann. Die Frage aller Fragen: Woher kommen diese hochenergetischen Teilchen? Welche Prozesse können sie auf solch hohe Energien beschleunigen? Und um welche Art von Teilchen handelt es sich? Seit den 1960er Jahren, als die Teilchen zum ersten Mal gemessen wurden, forschen WissenschaftlerInnen an diesem Rätsel. ForscherInnen, unter anderem von der Universität Siegen, haben jetzt am Pierre-Auger-Observatorium zum ersten Mal eine bisher unentdeckte Eigenschaft im Energiespektrum der Teilchen nachweisen können. Bei ihren Ergebnissen handelt es sich um die bisher genaueste Messung des Energiespektrums bei den höchsten Energien. „Im vergangenen Jahr haben wir das 20-jährige Bestehen des Pierre-Auger-Observatoriums festlich begangen. Und nun haben wir die nötige Statistik gesammelt, um der Lösung eines 60 Jahre alten Rätsels wieder einen Schritt näher zu kommen“, erklärt Prof. Dr. Markus Risse vom Department Physik. Er ist der Siegener Projektleiter in Argentinien.

Die kosmische Strahlung ist ein beständiger Strom hochenergetischer Teilchen aus dem All, dem die Erde jederzeit ausgesetzt ist. Das Energiespektrum dieser Teilchen beschreibt die Häufigkeit, mit der Teilchen einer bestimmten Energie die Erde erreichen. Dieses Spektrum zu messen, ist ein wichtiger Baustein, um die kosmische Strahlung bei den höchsten Energien zu verstehen.

Das Energiespektrum sei überraschend „glatt“, sagt Dr. Marcus Niechciol, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Risse an der Uni Siegen und Mitglied der Auger-Kollaboration. Es sei im Wesentlichen eine Gerade mit nur wenigen „Knicken“, an denen das Spektrum ein wenig steiler bzw. ein wenig flacher wird. Die ForscherInnen haben das Energiespektrum der kosmischen Strahlung bei den höchsten Energien in einer noch nie dagewesenen Präzision vermessen. Dadurch entdeckten sie neben den bekannten Strukturen eine neue Struktur, bei der etwas oberhalb des sogenannten „Knöchels“ das Spektrum wieder steiler wird. Diese neue Struktur könnte gut zu Erklärungsansätzen passen, bei denen die Maximalenergie einer Teilchensorte proportional zu Teilchenmasse steigt.   

Besonders an dieser Messung des Energiespektrums der kosmischen Strahlung ist zudem, dass sie trotz der indirekten Messung über Luftschauer mit sehr geringen systematischen Unsicherheiten behaftet ist. „Mit den Messungen des Energiespektrums, der Zusammensetzung und auch der Ankunftsrichtungen der kosmischen Strahlung können wir die Suche nach möglichen Quellen der hochenergetischen Teilchen einengen“, sagt Risse. „Damit helfen wir, das Universum ein Stück besser zu verstehen.“

Das Pierre-Auger-Observatorium in Malargüe, Argentinien macht präzise Forschungen dieser Art überhaupt erst möglich. Etwa 400 WissenschaftlerInnen aus 17 Ländern betreiben das Observatorium. Es besteht aus einem sogenannten Hybrid-Detektor aus zwei unabhängigen Detektorsystemen. Zum einen gibt es ein Detektorfeld aus 1.600 einzelnen Detektorstationen, jede gefüllt mit 12.000 Litern hochreinem Wasser. Teilchen aus dem Luftschauer erzeugen im Wasser kleine Lichtblitze, die gemessen werden können. Jede Station arbeitet vollständig autark mit Solarzellen und Batterien und ist mit einer Kommunikationsantenne ausgestattet. Das Detektorfeld deckt insgesamt 3.000 Quadratkilometer in der argentinischen Pampa ab. Das ist eine Fläche größer als das Saarland. Zum anderen wird das Detektorfeld von 24 Teleskopen überblickt, mit denen die Atmosphäre in klaren, mondlosen Nächten beobachtet wird. Mit dem Detektorfeld kann der „Fußabdruck“ des Luftschauers am Boden beobachtet werden, während die Teleskope die Entwicklung des Luftschauers in der Atmosphäre vermessen können. Die Kombination beider Systeme ermöglicht äußerst präzise Messungen des Luftschauers und damit indirekt des ursprünglichen Teilchens der kosmischen Strahlung.

„Die größte Herausforderung bei der Messung ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung ist der geringe Fluss“, erklärt Niechciol. Um ausreichend Statistik zu sammeln, brauche es sowohl eine große Fläche des Experiments als auch lange Messzeiten. „Für beides ist das Observatorium in Argentinien die weltweit beste Anlaufstation. Wir können seit mehr als 15 Jahren auf 3.000 Quadratkilometern unter besten Bedingungen forschen.“

Aufgrund der langen Zeitskalen haben mehrere Generationen von WissenschaftlerInnen der Uni Siegen in Argentinien geforscht. Gestartet ist das Projekt in Siegen ursprünglich 2004 mit Prof. Dr. Peter Buchholz vom Lehrstuhl für Experimentelle Teilchen-/Astroteilchenphysik. 2009 kam Risse dazu. Über die gesamte Zeit förderte das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) das Projekt.

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