Einstieg in die Astroteilchenphysik: Grundlagen, Messungen und Ergebnisse aktueller Forschung

444 Pages·2018·26.94 MB·German

by  Claus Grupen (auth.)

Einstieg in die Astroteilchenphysik
Blankpage
MyonenschauerimALEPH-Experimentin125MeternTiefeunterderErde
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Claus Grupen
Einstieg in die
Astroteilchenphysik
Grundlagen, Messungen und Ergebnisse
aktueller Forschung
2. Auflage
ClausGrupen
FBPhysik
UniversitätSiegen
Siegen
Deutschland
ISBN978-3-662-55270-4 ISBN978-3-662-55271-1(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-55271-1
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Vorwort zur zweiten überarbeiteten Auflage
Büchermögensichnichtrechnen,abersiezahlensichaus.
Anonym
SeitderErstauflagesindnunsechzehnJahrevergangen.WasistdasschonimVerhältnis
zum Weltalter, das kürzlich vom Planck-Satelliten mit großer Genauigkeit zu 13,798±
0,037Milliarden Jahren bestimmt wurde? Es hat sich aber in dieser relativ kurzen Zeit
doch eine Menge getan, insbesondere in der Kosmologie. Das klassische Urknallmodell
mitderInflationkanndasFlachheits-,dasHorizont-unddasMonopolproblemplausibel
erklären. Was aber in den ersten Sekundenbruchteilen der Entstehung des Universums
geschah,liegtdagegenimmernochimDunklen.
Ein offener Punkt ist auch die Dominanz der Materie. CP-verletzende Effekte sind
zwar aus der Teilchenphysik bekannt, reichen aber nicht aus, um das fast vollständige
Verschwinden der Antimaterie zu verstehen. Resultate des Satelliten PAMELA und des
AMS-ExperimentsanBordderRaumstationISSfindenzwarunerwartetvielePositronen
im Hochenergiebereich, aber diese könnten auch in Neutronensternen, Quasaren oder
AktivenGalaktischenKernenerzeugtwordensein.
InderElementarteilchenphysikwardieEntdeckungdesHiggs-TeilchensimJuli2012
am Large Hadron Collider (LHC) am CERN sicher ein Highlight. Mit einer Masse von
125GeV ergänzt und stützt das Higgs-Teilchen das Standardmodell der Teilchenphysik.
Allerdings kann der LHC supersymmetrische schwere Teilchen mit Massen unterhalb
des TeV-Bereiches ausschließen, was für die Suche nach Teilchen der Dunklen Materie
eine Ernüchterung darstellt. Durch den Gravitationsmikrolinseneffekt hat man allerdings
imBullet-Clusterimmerhinindirektgesehen,wodieDunkleMateriesichversteckt.Die
Suchenachkonkreten‚dunklen‘Teilchengehtaberweiter.
Ein kurzer Hoffnungsschimmer für die Existenz und den Nachweis von Gravita-
tionswellen durch den Urknall selbst durch das BICEP-Experiment am Südpol hat sich
allerdings ‚in Staub aufgelöst‘. Die vermuteten Gravitationswellen sollten einen Finger-
abdruck in der Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung hinterlassen, der von
BICEPscheinbargefundenwurde.AberdiePolarisationderSchwarzkörperstrahlungwird
V
VI VorwortzurzweitenüberarbeitetenAuflage
auch von kosmischem Staub beeinflusst, und der Effekt konnte vom Planck-Satelliten
nicht bestätigt werden. Dagegen gab es mit der ersten Messung von Gravitationswellen
mitLIGOdurcheinSystemauszweiMichelson-InterferometernimJahr2015einenwirk-
lichenDurchbruch.BisherwurdenvierEreignissegefunden,jeweilsausgelöstdurchdas
Verschmelzen zweier Schwarzer Löcher. Die zeitliche Struktur des Gravitationswellen-
signals und die Tatsache einer koinzidenten Messung stellt eine große Stütze dieser
Entdeckungdar.DerexperimentelleNachweisvonGravitationswelleneröffnetdamitein
weiteresFensterfüreineneueGravitationswellenastronomie.
Das ICECUBE-Experiment entdeckte erste Spuren von vermutlich kosmogenischen,
hochenergetischen Neutrinos im PeV-Bereich, die möglicherweise von einem im Jahr
2012 gemessenen Strahlungsausbruch einer 10Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie
(einem Blazar) stammen. Die Hochenergie-Neutrinoastronomie betritt damit die Bühne
derAstroteilchenphysikimHochenergiebereich.
In der Technik gibt es weitere Entwicklungen, die neuen Erkenntnisgewinn verspre-
chen. Die Messung hochenergetischer primärer kosmischer Strahlung über deren Radio-
emission durch geomagnetisch erzeugte Synchrotronstrahlung erlaubt einen kostengün-
stigen Nachweis dieser Teilchen in ausgedehnten Luftschauern. Die Pionierexperimente
LOPES und LOFAR haben der Radioastronomie und Hochenergie-Astroteilchenphysik
ein neues Fenster eröffnet. Radioexperimente können den Himmel – im Gegesatz zu
Fluoreszenz-undCherenkov-Teleskopen–ganztägigbeobachtenundsindnichtaufwol-
kenfreieundmondloseNächteangewiesen.DasgeplanteSquareKilometerArray(SKA)
wirdinderZukunftdasempfindlichsteRadioteleskopderWeltsein,undkönntewesent-
lich dazu beitragen, die Gesetze des Universums, seine Herkunft und Entwicklung zu
verstehen.
DerPlanck-SatellitmitseinerhervorragendenWinkelauflösungvonfünfBogenminu-
ten (COBE: 7Grad, WMAP: 13,5Bogenminuten) und erhöhter Empfindlichkeit konnte
diekosmischeHintergrundstrahlungingroßemDetailvermessenundhatschonwichtige
BeiträgezurBestimmungkosmologischerParameterbeigesteuert.
Gegenüber der ersten Auflage sind diesem Buch einige weitere Kapitel hinzugefügt
worden,dieaufdieseneuenEntwicklungenRücksichtnehmen.Natürlichsindalleübrigen
KapitelwissenschaftlichaufdenneuestenStandgebrachtworden.
Ich danke Prof. Dr. Glen Cowan für seine zahlreichen Anregungen insbesondere zur
KosmologiedesfrühenUniversums.
Dr. Tilo Stroh hat die umfangreiche Aufgabe übernommen, dem Manuskript die end-
gültige LATEX-Gestalt zu geben. Außerdem hat Herr Dr. Stroh in vielfältiger Weise an
der Gestaltung des Buches mitgewirkt. Insbesondere hat er große Mühe darauf verwen-
det, einen übersichtlichen und informativen Index zu erstellen. Für all diese Leistungen
binichihmsehrdankbar.DiegrafischeGestaltungderBilderwurdedankenswerterweise
überwiegendvonDipl.-Phys.StefanArmbrustübernommen.
Siegen,Oktober2017
Inhaltsverzeichnis
1 HistorischeEinleitung.......................................... 1
1.1 EntdeckungundBeginnderUntersuchungkosmischerStrahlung ..... 2
1.2 Symbiose:kosmischeStrahlungundTeilchenphysik ............... 10
1.3 BeiträgederElementarteilchenphysik .......................... 20
1.4 RenaissancederkosmischenStrahlung ......................... 22
1.5 OffeneFragen............................................ 23
Zusammenfassung.............................................. 25
2 StandardmodellderElementarteilchen ............................ 27
2.1 WechselwirkungenvonElementarteilchen....................... 34
2.2 QuantenzahlenundSymmetrien .............................. 38
2.3 VereinigteTheoriederWechselwirkungen....................... 41
Zusammenfassung.............................................. 43
3 KinematikundWirkungsquerschnitte............................. 45
3.1 BeispielefürdieBerechnungvonSchwerpunktsenergien ........... 48
3.2 BeispielefürdieBehandlungvonZerfällen...................... 55
3.3 Lorentz-Transformationen .................................. 59
3.4 BerechnungvonWirkungsquerschnitten ........................ 61
Zusammenfassung.............................................. 62
4 PhysikalischeGrundlagenderMesstechniken ....................... 63
4.1 WechselwirkungsprozessefürdenTeilchennachweis............... 65
4.2 Teilchenidentifikation ...................................... 70
4.3 GrundlagenderatmosphärischenCherenkov-Technik .............. 71
4.4 SpezielleAspektedesPhotonnachweises ....................... 74
4.5 KryogenischeNachweistechniken............................. 76
4.6 PropagationundWechselwirkungenvonAstroteilchenimKosmos .... 80
4.7 CharakteristischeGrundzügevonDetektoren .................... 83
Zusammenfassung.............................................. 83
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
5 Beschleunigungsmechanismen ................................... 85
5.1 Zyklotronmechanismen..................................... 85
5.2 BeschleunigungdurchSonnenfleckenpaare...................... 87
5.3 Schockwellenbeschleunigung ................................ 88
5.4 Fermi-Mechanismus ....................................... 92
5.5 Pulsare ................................................. 93
5.6 Doppelsternsysteme ....................................... 97
5.7 VerlaufderEnergiespektrenprimärerTeilchen ................... 101
Zusammenfassung.............................................. 102
6 PrimärekosmischeStrahlung.................................... 105
6.1 GeladeneKomponentederprimärenkosmischenStrahlung.......... 106
6.2 Natur und Ursprung der höchstenergetischen
kosmischenStrahlung...................................... 116
6.3 Neutrinoastronomie ....................................... 124
6.3.1 AtmosphärischeNeutrinos............................ 125
6.3.2 SolareNeutrinos ................................... 132
6.3.3 Supernovaneutrinos ................................. 140
6.3.4 HochenergetischegalaktischeundextragalaktischeNeutrinos.. 146
6.4 Gammaastronomie ........................................ 155
6.4.1 Einleitung ........................................ 155
6.4.2 Erzeugungsmechanismenfürγ-Strahlung ................ 157
6.4.3 Nachweisvonγ-Strahlung............................ 161
6.4.4 Beobachtungvonγ-Punktquellen ...................... 170
6.4.5 γ-Burster......................................... 173
6.5 Röntgenastronomie........................................ 177
6.5.1 Einleitung ........................................ 177
6.5.2 ErzeugungsmechanismenfürRöntgenstrahlung ............ 178
6.5.3 NachweisvonRöntgenstrahlung ....................... 179
6.5.4 BeobachtungvonRöntgenquellen ...................... 182
6.6 Gravitationswellenastronomie................................ 189
Zusammenfassung.............................................. 198
7 SekundärekosmischeStrahlung.................................. 199
7.1 PropagationinderAtmosphäre............................... 200
7.2 StrahlungaufMeereshöhe................................... 208
7.3 StrahlungunterderErde .................................... 213
7.4 AusgedehnteLuftschauer ................................... 222
7.5 RadiomessungvonLuftschauern.............................. 233
Zusammenfassung.............................................. 238
Inhaltsverzeichnis IX
8 Kosmologie .................................................. 239
8.1 DasHubble-Gesetz........................................ 242
8.2 DasisotropeundhomogeneUniversum ........................ 245
8.3 DieFriedmann-Gleichung................................... 246
8.4 DieStrömungsgleichung.................................... 250
8.5 DieBeschleunigungsgleichung ............................... 251
8.6 LösungenderFriedmann-Gleichung ........................... 252
8.7 ExperimentelleEvidenzfürdieVakuumenergie .................. 254
Zusammenfassung.............................................. 259
9 DasfrüheUniversum .......................................... 261
9.1 DiePlanck-Skala ......................................... 261
9.2 ThermodynamikdesfrühenUniversums ........................ 263
9.3 Zustandsgleichung ........................................ 265
9.4 LösungenderFriedmann-Gleichung ........................... 267
9.5 ThermischeGeschichtedererstenzehnMikrosekunden ............ 270
9.6 DieBaryonasymmetriedesUniversums ........................ 272
9.6.1 ExperimentelleEvidenzfürdieBaryonasymmetrie ......... 272
9.6.2 GrößederBaryonasymmetrie.......................... 276
9.6.3 DieSacharow-Kriterien .............................. 278
Zusammenfassung.............................................. 280
10 DieUrknallnukleosynthese ...................................... 281
10.1 EinigeZutatenfürdieprimordialeNukleosynthese ................ 282
10.2 DasNeutron-zu-Proton-Verhältnis ............................ 283
10.3 SynthesederleichtenElemente............................... 285
10.4 DetaillierteNukleosynthese ................................. 287
10.5 BestimmungderAnzahlderNeutrinofamilien.................... 291
Zusammenfassung.............................................. 293
11 DiekosmischeMikrowellenhintergrundstrahlung .................... 295
11.1 Vorspiel:ÜbergangineinmateriedominiertesUniversum ........... 295
11.2 EntdeckungderEigenschaftenderSchwarzkörperstrahlung ......... 297
11.3 EntstehungderMikrowellenhintergrundstrahlung ................. 300
11.4 AnisotropienderHintergrundstrahlung ......................... 302
11.5 DasMonopol-unddasDipolmoment .......................... 303
11.6 Kleinwinkelanisotropie..................................... 304
11.7 BestimmungderkosmologischenParameter ..................... 306
Zusammenfassung.............................................. 310
12 Inflation..................................................... 311
12.1 DasHorizontproblem ...................................... 312
12.2 DasFlachheitsproblem ..................................... 313
12.3 DasMonopolproblem ...................................... 316