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EnergieSpektrum der kosmischen Strahlung. Vertikale Achse: Fluss (Anzahl der Partikel oder Photonen) pro Fläche pro Sekunde pro Steradiant (Winkel) pro GeV, horizontale Achse: Energie in eV. Niedrige Energien gibt es viele: 1 pro Quadratmeter pro Sekunde. Aber die höchsten Energien sind relativ selten, nämlich 1 Vorkommen pro Quadratkilometer und Jahr.

kosmische Strahlung oder Höhenstrahlung ist ein Sammelname für Partikel mit einem hohen Energie (ionisierende Strahlung) die sich zwischen allen befindet Himmelskörper in dem Universum befindet sich im sogenannten so interstellares Medium. Kosmische Strahlung erreicht auch die Boden, das Atmosphäre der Erde sorgt dafür, dass die Mehrheit dieser Leben schädliche Strahlung führt jedoch nicht zum Erdoberfläche erreicht. Die Partikel bestehen aus Elektronen und Protonen, das Kerne von Helium und schwerer Elemente, aber auch raus Neutrinos und hochenergetische Photonen (${Displaystil-Gamma }$-Strahlung)^[1]. Die Energie dieser Teilchen variiert von etwa 10⁹eV (Elektronenvolt) bis mehrmals 10²⁰ eV. Basierend auf der Wechselwirkung zwischen Protonen und dem kosmischer Mikrowellenhintergrund, geht die Wissenschaft davon aus dass der letztere Wert der höchstmögliche energetische Wert der kosmischen Strahlung ist. Dieses theoretisch vorhergesagte Energiemaximum der kosmischen Strahlung ist das sogenannte GZK-Grenze. Kosmische Strahlung bietet viel höhere Energien als die größte Teilchenbeschleuniger, wie CERN, die nicht weiter als 10 . gehen¹²eV (Elektronenvolt).

Ursprung

Der Ursprung der kosmischen Strahlung ist nur teilweise bekannt. Niederenergetische Teilchen kommen von der Sonne (die Sonnenwind) und von Sternen aus der Galaxie, Teilchen mit Energien bis etwa 10¹⁶ eV kommen aus Supernovae, wie der Ausbruch, der zum Krabbennebel. Teilchen mit noch mehr Energie können galaktischen Magnetfeldern entkommen und haben wahrscheinlich einen extragalaktischen Ursprung. Dazu gehören Gamma-Ray-Bursts (GRB), auf aktive Kerne entfernter Galaxien und auf andere Phänomene, die mit hochenergetischen Plasmastrahlen verbunden sind. Kosmische Strahlung kann auch von Schwarze Löcher, Hypernovas, Gammastrahlenausbrüche und aktive Galaxien.

Überwachung

Die Primärteilchen, aus denen die kosmische Strahlung besteht, werden selten direkt beobachtet. Teilchen aus dem Sonnenwind können vom Erdmagnetfeld eingefangen werden und Phänomene wie die Nordlicht Ursache. Hochenergiegeladen Partikel oder Photonen die nach Kollision mit a . in die Atmosphäre gelangen Stickstoff-- oder Sauerstoffkern ein Schauer von Sekundärteilchen, a verlängerte Luftdusche (EAS). Bei der Untersuchung dieser Sekundärteilchen wurden erstmals viele subatomare Teilchen entdeckt, wie z Positron, es Pfand, es myon und der Fremdkörper wie kaonen.

Das Studium von Luftduschen kann auf verschiedene Arten erfolgen: mit Szintillationsdetektoren, oder Cherenkov-Detektoren in Flüssigkeitstanks, die hauptsächlich Myonen aber auch Elektronen kann beobachtet werden; oder mit sehr hellen Teleskopen, die fluoreszierendes Licht aus der Luftdusche in der nächtlichen Atmosphäre beobachten können. Das größte existierende Experiment zur Untersuchung von Luftschauern ist das Schneckenexperiment im Argentinien. In den Niederlanden wird die kosmische Strahlung von der HiSPARC-Experiment, eine Partnerschaft zwischen einigen Dutzend weiterführenden Schulen und sieben akademischen Einrichtungen.

Hochenergetische Photonen werden mit speziellen Teleskopen für Cherenkov-Licht in der Atmosphäre beobachtet, wie z HESS-Experiment in Namibia.

Zu NeutrinoZu beobachten ist der seltene spontane Übergang von Neutrinos zu geladenen Teilchen (insbesondere Myonen) beim Durchqueren der Erde. Solche geladenen Teilchen, die von unten kommen, können mit Hilfe des von ihnen erzeugten Cherenkov-Lichts wieder beobachtet werden, zum Beispiel im Eis der Antarktis von AMANDA, oder in den Gewässern des Mittelmeers bei ANTARES oder in einem Wasserfass bei Super Kamiokande.

Geschichte

Im 1785 empfohlen Charles Augustin de Coulomb stellte fest, dass bei seinen Experimenten mit der elektrischen Kraft elektrische Ladung auf unerklärliche Weise aus seiner Ausrüstung entwich. Dieses Phänomen blieb ungeklärt, aber auch in den späten Jahren 1890 es wurde festgestellt, dass a Elektroskop immer leicht Ladung verliert, obwohl es keine künstliche Quelle dafür gibt ionisierendStrahlung in der Nähe von.

Im 1900 untersucht Julius Elster und Hans Friedrich Geitel in Deutschland und Charles Thomson Rees Wilson dieses Phänomen in England. Beide Gruppen kamen zu dem Schluss, dass eine unbekannte Quelle ionisierender Strahlung dafür verantwortlich war. Mit immer besser isolierten Elektroskopen konnte dieser Effekt zwar deutlich reduziert werden, erreichte aber bald eine Grenze. Damals schien die Erklärung naheliegend: Die Radioaktivität in der Atmosphäre würde die Luft um das Elektroskop herum ionisieren. Diese Erklärung erschien nach der Entdeckung der Radioaktivität durch Antoine Henri Becquerel im 1896, als erkannt wurde, dass überall auf der Erde radioaktives Material zu finden ist.

Kosmischer Ursprung

Um diese Hypothese zu testen, Theodor Wulf - ein Deutscher Jesuitenpriester wer war damals Lehrer an einer Hochschule in college Valkenburg (Limburg) - im 1907 selbst ein Vorgesetzter Elektroskop. Er entdeckte, dass die ionisierende Strahlung im Mergeltunnel wurde nicht unter der Erde gefunden, sondern auf freiem Feld und oben auf dem Eiffelturm. Dort war der Wert jedoch nicht das, was er erwartet hatte. Er vermutete daher entweder eine noch unbekannte Radioaktivitätsquelle in der oberen Atmosphäre oder eine Absorption von gamma Strahlen in der Luft, die viel kleiner war als bisher angenommen.

Der Schweizer Physiker Albert Göckel im 1910 ein Wulf-Elektroskop und Blase Fass nahm eine Ballonfahrt auf eine Höhe von 4,5 km und stellte fest, dass die Luft in einem geschlossenen Gefäß in dieser Höhe den Strom besser leitet als auf der Erdoberfläche. Aufgrund der Absorption durch die Atmosphäre sollte die Bodenradioaktivität jedoch in einer Höhe von mehreren Tausend Fuß verschwinden. Zu seiner Überraschung blieb die Entladungsmenge seines Elektroskops in einer seiner Meinung nach strahlungsfreien Umgebung fast konstant. Vorläufig hielten sie es für einen versteckten Fehler im Experiment.

Nachdem der 28-Jährige über Wulfs Eiffel-Experiment gelesen hatte, österreichischViktor Franz Hess Wiederholen Sie die Experimente während einiger waghalsiger Heißluftballonflüge in 1911 und 1912. Mit einem nach Wulfs Konstruktion gebauten Elektroskop zeigte er, dass die Strahlung, nachdem sie ein Minimum durchquert hatte, in dem die Strahlung vom Boden vollständig von der Atmosphäre absorbiert wurde, oberhalb von etwa 5 km Höhe sogar an Intensität zunahm. Er stellte auch fest, dass die Wirkung tagsüber und nachts gleich war. Dies machte die außerirdische Herkunft der Strahlung plausibel und Hess nannte sie "die Höhenstrahlung" (In Holländisch "Höhenstrahlung"). 1936 erhielt Hess den Nobelpreis für Physik.

Die Ergebnisse von Hess waren in 1913 bestätigt von Werner Heinrich Gustav Kolhorster, die Tests bis zu 9 km Höhe durchführte. Auch in dieser Höhe erhöhte sich die Leitfähigkeit der Luft im geschlossenen Gefäß spektakulär auf das Zwölffache der an der Erdoberfläche. Weitere Untersuchungen bestätigten, dass die Strahlung entweder aus der oberen Atmosphäre oder von außerhalb der Atmosphäre stammte. Außerdem schwächte sich die Strahlung beim Durchgang durch die Atmosphäre ab. Aus dem Reduktionsgrad konnte abgeleitet werden, dass diese Strahlen viel durchdringender sein müssen als die bereits bekannte ionisierende Strahlung. Aus beiden Beobachtungen konnte geschlossen werden, dass die Höhenstrahlung einen außerirdischen Ursprung hatte. Bei Ausbruch des Erster Weltkrieg die Ermittlungen wurden eingestellt, um 1922 wieder festgenommen werden.

gamma Strahlen

Nach dem Krieg kamen vermehrt unbemannte Ballons zum Einsatz. Könnte Robert Andrews Millikan und Ira Sprague Bowen von 1922 bis 15 km vordringen. In Deutschland erreicht Erich Regener 30 km Höhe mit seinem unbemannten Ballon. Der Effekt nahm nicht unbegrenzt zu, sondern nahm nach einem Maximum in einer bestimmten Höhe wieder ab.

Die Fähigkeit der Höhenstrahlung, Materie zu durchdringen, wurde von Millikan und seinen Assistenten weiter untersucht Russell Otis und G. Harvey Cameron. Dazu tauchten sie die Geräte in verschiedenen Tiefen in einen See in Kalifornien. Auch diese Versuche wurden von Regener bis zu 200 Meter unter Wasser wiederholt, andere Forscher gingen bis zu 400 Meter unter Wasser. Damit wurde die extrem hohe Durchschlagskraft der Höhenstrahlung bestätigt.

Weitere Forschungen bestätigten den kosmischen Ursprung der Höhenstrahlung. Als auch Millikan davon überzeugt war, erwähnte er in 1926 diese Höhenstrahlung "kosmische Strahlung" (kosmische Strahlung). Da diese Strahlung so tief eindrang und nur geringfügig mit Materie wechselwirkte, schloss Millikan, dass es sich um Gammastrahlen handelte, die bisher durchdringendste Strahlung.

Geladene Partikel

Millikans Schlussfolgerung geriet jedoch unter Beschuss, als der niederländische Physiker Jacob Ton im 1927 auf seinen Reisen zwischen Die Niederlande und Java festgestellt, dass die Intensität der Strahlung von der geografischen Breite. Am Äquator maß es 14% weniger Intensität als bei 45° N, die Strahlung wurde also wahrscheinlich vom Erdmagnetfeld betroffen.

Die Experimente in 1928 und 1929 von Walther Bothe und Werner Kolhorster mit einem Brauch Geiger-Müller-Zähler führte auch zu der Vermutung, dass die kosmische Strahlung aus geladenen Teilchen mit sehr hohen Geschwindigkeiten besteht. Sie entdeckten, dass die Strahlung zumindest auf Meereshöhe hauptsächlich aus geladenen Teilchen besteht. Dies ließ Zweifel an der kosmischen Strahlung aufkommen, da gamma Strahlen noch steigern.

Auch die Theoretiker beschäftigten sich mit dem Problem. Unabhängig voneinander prognostiziert der Italiener Bruno Rossic und der Belgier Georges Lemaître in Zusammenarbeit mit dem Mexikaner Manuel Vallarta im 1932 enthalten ein Ost-West-ASymmetrie der kosmischen Strahlung. Darauf haben sie aufgebaut Fredrik Carl Stormers Theorie über geladene Teilchen in Magnetfelder. Das war in 1933 bestätigt durch die Messungen von Thomas Hope Johnson und von Luis Alvarez und Arthur Compton. Die von Johnson und anderen gemessene größere Intensität der kosmischen Strahlung aus dem Westen deutete auf eine positiv geladene Primärstrahlung in den oberen Atmosphären hin.

Im 1933 Bestätigt Pierre Auger und Louis Leprince-Ringuet dass die Intensität der Strahlung vom Breitengrad abhing. Um die Angelegenheit endgültig zu klären, leitete Compton eine globale Untersuchung ein, an der neun Teams und in verschiedenen Höhen beteiligt waren. 1933 konnte er die Ergebnisse bekannt geben und bestätigen, dass es tatsächlich einen Breitengradeffekt gab und dass es sich bei der kosmischen Strahlung um elektrisch geladene Teilchen handelte. Die Theorien von Kristian Birkeland, Sturmer, Paul Sophus Epstein, Lemaître, Vallarta und andere zeigten, dass es sich angesichts des Einflusses des Erdmagnetismus um Teilchen aus dem Weltraum mit enormer Energie handelte.

In der zweiten Hälfte der 1930er Jahre entdeckt Pierre Auger (sehen: Auger-ElektronExperiment, oben) die Existenz von ausgedehnte Luftduschen.

Bedeutung für die Teilchenphysik

Zwischen 1930 und 1955 war das Studium der kosmischen Strahlung das wichtigste Mittel zur Entdeckung neuer subatomare Partikel. Im 1932 entdeckt Carl Anderson in seiner Forschung über die kosmische Strahlung die Positron. 1936 erhielt er den Nobelpreis für Physik (zusammen mit Victor Hess). Zusammen mit Seth Neddermeyer er entdeckte in 1936 es Mesotron, jetzt "myon" namens. Später in dieser Studie war es auch Pfand und der kaon entdeckt.

Siehe auch

• Schneckeneffekt
• Oh mein Gott-Partikel

Literatur

Historische Artikel

• Th. Wolf, Über die Strahlung, die in der Atmosphäre mit hoher Durchdringungskraft vorhanden ist, Physikalische Zeitschrift X (1909), 152-157
• v.f. hess, ber Beobachtungen der durchdrangen Strahlung bei sieben Freiballonfahrten, Physikalische Zeitschrift XIII (1912), 1084-1091
• P. Auger et al., Umfangreiche Cosmic-Ray-Duschen, Rev. mod. Phys. 11 (1939), 288-291.

Neuere Quellen

• R.G. Harrison und D. B. Stephenson, Detection of a galaktische kosmische Strahlung Einfluss auf Wolken, Geophysical Research Abstracts, Vol. 2, No. 8, 07661, 2006 SRef ID: 1607-7962/gra/EGU06-A-07661
• C. D. Anderson und S. H. Neddermeyer, Cloud Chamber Observations of Cosmic Rays at 4300 Meter Elevation and Near Sea-Level, Phys. Rev. 50, 263, (1936).
• M. Boezio et al., Messung des Flusses atmosphärischer Myonen mit dem CAPRICE94-Apparat, Phys. Rev. D 62, 032007, (2000).
• R. Clay und B. Dawson, Cosmic Bullets, Allen & Unwin, 1997. ISBN 1-86448-204-4
• T. K. Gaisser, Kosmische Strahlung und Teilchenphysik, Cambridge University Press, 1990. ISBN 0-521-32667-2
• P. K. F. Grieder, Cosmic Rays at Earth: Researcher's Reference Manual and Data Book, Elsevier, 2001. ISBN 0-444-50710-8
• A. M. Hillas, Kosmische Strahlung, Pergamon Press, Oxford, 1972 ISBN 0-08-016724-1 - Ein guter Überblick über die Geschichte und Wissenschaft der kosmischen Strahlungsforschung, einschließlich Nachdrucken bahnbrechender Arbeiten von Hess, Anderson, Auger und anderen.
• J. Kremer et al., Messung von bodennahen Myonen an zwei geomagnetischen Orten, Phys. Rev. Lette. 83, 4241, (1999).
• S. H. Neddermeyer und C. D. Anderson, Note on the Nature of Cosmic-Ray Particles, Phys. Rev. 51, 844, (1937).
• M. D. Ngobeni und M. S. Potgieter, Anisotropien der kosmischen Strahlung in der äußeren Heliosphäre, Fortschritte in der Weltraumforschung, 2007.
• M. D. Ngobeni, Aspekte der Modulation der kosmischen Strahlung in der äußeren Heliosphäre, M.Sc. Dissertation, Northwest University (Potchefstroom campus) Südafrika 2006.
• D. Perkins, Particle Astrophysics, Oxford University Press, 2003. - Sehr interessantes und gut geschriebenes Buch. ISBN 0-19-850951-0
• C. E. Rolfs und S. R. William, Cauldrons in the Cosmos, The University of Chicago Press, 1988. ISBN 0-226-72456-5
• B. B. Rossi, Kosmische Strahlung, McGraw-Hill, New York, 1964.
• Martin Walt, Einführung in geomagnetisch gefangene Strahlung, 1994. ISBN 0-521-43143-3
• J. F. Ziegler, The Background In Detektors Caused by Sea Level Cosmic Rays, Nuclear Instruments and Methods 191, 419, (1981).
• TRACER Long Duration Balloon Project: der größte auf Ballons gestartete Detektor für kosmische Strahlung.
• HiRes Fliegenauge

Externe Links

• (NL) Website von Hisparc, dem Schulprojekt zur Detektion kosmischer Strahlung
• (und) Der HiRes-Detektor

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