KASCADE-GRANDE
Knie und Knöchel der kosmischen Strahlung
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT)
astronews.com
3. Mai 2013

Die Auswertung von Daten des KASCADE-Grande-Experiments am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat neue Hinweise auf die Herkunft der hochenergetischen Partikel der kosmischen Strahlung geliefert. Im Energiespektrum der leichteren Teilchen entdeckten die Forscher nämlich nicht nur ein sogenanntes Knie, sondern auch einen Knöchel - ein Indiz für die extragalaktische Herkunft der Teilchen?

Mit dem Messfeld KASCADE-Grande auf dem Gelände des KIT untersuchten die Wissenschaftler Teilchenschauer, die durch Kosmische Strahlung ausgelöst werden. Foto: KIT

 KASCADE-Grande war ein Messfeld für kosmische Strahlung auf dem Gelände des Campus Nord des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Das mit 37 Detektorstationen erweiterte KASCADE-Experiment konnte über mehr als ein Jahrzehnt Teilchenschauer messen, die von hochenergetischer primärer kosmischer Strahlung ausgelöst werden (astronews.com berichtete).

Die Teilchenschauer entstehen dadurch, dass die primären Teilchen der kosmischen Strahlung auf die Atome der Erdatmosphäre auftreffen und aufgrund ihrer hohen Energie Sekundärteilchen erzeugen, die wiederum Teilchen erzeugen, die weitere Teilchen erzeugen, usw. Diese Kaskade aus Teilchen trifft nach einigen Millisekunden auf den Erdboden auf und kann dort gemessen werden.

"Mit KASCADE-Grande konnten Schauer von Sekundärteilchen gemessen werden, die von Primärteilchen kosmischen Ursprungs mit Energien von 10¹⁴ bis 10¹⁸ Elektronenvolt erzeugt wurden", erklärt Dr. Andreas Haungs, der das KASCADE-Grande-Projekt am KIT leitet. 10¹⁸ Elektronenvolt liegt um mehrere Größenordnungen über den Energien, die die größten Teilchenbeschleuniger auf der Erde erreichen.

 Das Experiment wurde im vergangenen Jahr endgültig abgeschaltet und wird derzeit abgebaut. Die Analyse der Daten dauert aber an. Schon seit längerer Zeit weiß man, dass der Fluss der kosmischen Strahlung, also der Primärteilchen mit zunehmender Energie der Teilchen stark abnimmt. Ewas oberhalb einer Energie von 10¹⁵ Elektronenvolt ändert sich die "Steilheit" der Energieabnahme: Dadurch entsteht ein Knick im Spektrum, das sogenannte "Knie" der kosmischen Strahlung.

Mithilfe der Daten von KASCADE-Grande konnte man zeigen, dass das Knie für leichte und schwere Elemente bei unterschiedlichen Energien auftritt, und dass dieser Unterschied mit der Ladung zusammenhängt. So findet sich das mit KASCADE-Grande detektierte "Eisen-Knie" bei 26-mal höherer Energie als ein Knie im Spektrum der Wasserstoffkerne. Die aktuelle Analyse der Daten des KASCADE-Grande-Experimentes zeigte nun ein Abflachen (auch "Anti-Knie" oder "Knöchel" genannt) des Spektrums leichter Primärteilchen oberhalb einer Energie von 10¹⁷ Elektronenvolt.

Doch woher kommt das Knie und warum ist dessen Ursache abhängig von der Ladung des kosmischen Teilchens? Eine mögliche Erklärung hierfür geben die Magnetfelder in der näheren Umgebung der kosmischen Beschleuniger. Diese funktionieren zu hohen Energien hin effektiver für Teilchen mit höherer Ladung. Zudem besitzt unsere eigene Galaxie eine magnetische Hülle, die ein Entweichen eines Großteils der Teilchen aus unserer Milchstraße verhindert.

Aus den bisherigen Ergebnissen von KASCADE-Grande konnte geschlossen werden, dass die primären Partikel der kosmischen Strahlung nur bis zu Energien um 10¹⁷ Elektronenvolt in unserer Milchstraße erzeugt und gespeichert werden können. Teilchen mit noch höherer Energie haben demnach ihren Ursprung außerhalb der Milchstraße. Der Übergang von einer galaktischen zu einer extragalaktischen kosmischen Strahlung wird im Energiebereich von knapp oberhalb 10¹⁸ Elektronenvolt, beim sogenannten "Knöchel" des Spektrums vermutet.

Folgt man der obigen Theorie zur Entstehung des Knies, sollte der Übergang zu einer überwiegend extragalaktischen kosmischen Strahlung zuerst im Energiespektrum der leichten Primärteilchen sichtbar werden, da zunächst diese aus ihrer Heimatgalaxie entweichen. Die jetzt gelungene Identifizierung einer knöchelartigen Struktur in der leichten Komponente schon bei relativ niedrigen Energien spricht für Theorien, die einen frühen Beitrag der extragalaktischen kosmischen Strahlung vorhersagen.

"Ob es sich bei den von KASCADE-Grande gemessenen hochenergetischen leichten Primärteilchen tatsächlich um Atomkerne aus einer anderen Galaxie handelt, kann aber erst durch die Hinzunahme zukünftiger Ergebnisse anderer Experimente, die das Spektrum bei den höchsten Energien untersuchen, bestätigt werden", so Sven Schoo, der als Diplomand am KIT federführend die Analyse durchgeführt hat. Dies ist etwa mit dem Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien möglich, an dessen Aufbau und wissenschaftlicher Auswertung das KIT ebenfalls beteiligt ist.

Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler kürzlich in der Fachzeitschrift Physical Review D veröffentlicht.