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Forschung: Ein Überblick

Astroteilchenphysik...

Hochenergetische Astroteilchenphysik ist ein stark wachsendes Forschungsgebiet, dass Teilchenphysik, Kosmologie und Astrophysik verbindet. Die Fragenstellungen, die hier untersucht werden, sind:

  • Woraus besteht das Universum?
  • Was ist dunkle Materie und wie kann man diese detektieren?
  • Was ist kosmische Strahlung? Woher stammt diese? Wo werden die Teilchen beschleunigt?
  • Sind Gravitationswellen messbar und was können diese uns verraten?

Das Forschungsgebiet der Astroteilchenphysik entwickelt sich immer weiter, sodass sich neue Wege in der Astronomie ergeben. Heutzutage wird nicht nur Licht, oder allgemeiner, werden nicht nur elektromagnetische Wellen von entfernten Objekten in unseren Universum untersucht, sondern wir beginnen auch sehr hochenergetische kosmische Strahlung, Neutrinos oder Gravitationswellen zu untersuchen.

...in Bochum

In Bochum werden hauptsächlich Wechselwirkungen von kosmischer Strahlung in der Umgebung von möglichen Quellen (wie AGNs, SN-Überreste, GRBs. Siehe unten...) untersucht. Unser Ziel ist es dabei, die Mechnismen zur Teilchenproduktion und zur Teilchenbeschleunigung zu den höchsten Energien, die das Spektrum der kosmischen Strahlung aufweist, zu klären.

Das Spektrum der kosmischen Strahlung

Das gemessene Spektrum der kosmischen Strahlung zeigt, dass Teilchen bis zu einer Energie von ~1021 eV beschleunigt werden können. Die Form wird sehr gut durch ein gebrochenes Potenzgesetz beschrieben. Das sogenannte „Knie” ist zu erkennen an der Änderung der Steigung bei ca. ~1015 eV, während Energien über dem „Knöchel” (ca. ~3×1018 eV) verbunden werden mit ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung (UHECRs; kurz für: Ultra High-Energy Cosmic Rays ) mit extragalaktischer Herkunft.

Quellen der kosmischen Strahlung

Welche Mechanismen sind verantwortlich für die Teilchenbeschleunigung? Und was sind die Quellen der kosmischen Strahlung bei den höchsten Energien im Spektrum? Teilchen werden wahrscheinlich an Inhomogenitäten im Magnetfeld entweder in magnetischen Wolken (Fermibeschleunigung zweiter Ordnung) oder in Schockfronten (Fermibeschleunigung erster Ordnung) beschleunigt.
Aus diesen Modellen folgen einfache Potenzgesetze und die Steigung im Spektrum der kosmischen Strahlung wird dadurch begründet.
Nicht relativistische Schocks entstehen zum Beispiel in Supernova Explosionen. Daher wird angenommen, dass Supernova Explosionen Teilchen bis zum Knie des Spektrums beschleunigen (~1015 eV).
Der Mechanismus, der die Teilchen im Bereich „Knie-Knöchel” beschleunigt, ist noch unbekannt. Ein Modell geht davon aus, dass Supernovae in ihre eigenen Winde explodiert. Andere Möglichkeiten beschreiben Binär-Systeme (zwei Objekte, die um ihren gemeinsamen Schwerpunkt kreisen) oder Pulsare in Galaxien.
AGNs und GRBs sind hingegen mägliche Quellen für höchstenergetische Teilchen (~1021 eV), da in diesen Quellen relativistische Schocks gebildet werden.

Multimessenger Astrophysik: Gammastrahlung und Neutrinos

Durch den Vergleich verschiedener Strahlung (Photonen und Neutrinos) bei verschiedenen Energien, ist es unseres Ziel mehr über die hochenergetischen Phänomene im Universum und deren Prozesse zu lernen. Astrophysikalische Objekte wie AGNs, GRBs, und SN-Überreste forderen eine interdisziplinäre, Multiwellenlängen und multi-messenger Vorgehensweise für deren VerstÀndnis. Mögliche Quellen von UHECRs emittieren voraussichtlich energetische Neutrinos und Gammastrahlung, die von gegenwärtigen und zukünftigen Observatorien gemessen werden können.

Experimente, an denen wir beteiligt sind

Wir beteiligen uns an folgenden Experimenten:

  • IceCube: Es ist das erste Kilometer große Teleskop, das am Südpol gebaut wird (planmäßige Fertigstellung 2011). Das Ziel ist es das Cherenkov Licht, das von geladenen Teilchen (Myonen, Elektronen und Tauonen), die durch die Wechselwirkung hochenergetischer Neutrinos (>0.1TeV) mit der Materie, die die Messinstrumente umgibt, emittiert wird, zu messen. Es öffnet voraussichtlich ein völlig unerforschtes Fenster in der Astronomie und wirft ein neues Licht auf die Physik der hochenergetischen astronomischen Quellen.
  • HESS: Dieses System erforscht die kosmische Strahlung im Energiebereich von 100 GeV bis 100 TeV. H.E.S.S. steht in Namibia, in der Nähe des Gamsberg. Dieses Gelände ist bekannt für die exzellente optische Qualität. Das erste der vier Teleskope des H.E.S.S. Projektes wurde im Sommer 2002 in Betrieb genommen; alle vier waren betriebsfertig im Dezember 2003 und wurden offiziell am 28.September 2004 eingeweiht.
  • Cherenkov Telescopoe Array (CTA): Dieses zukünftige Cherenkov Teleskop deckt einen Energiebereich von einigen 10 GeV bis über 10 TeV. Ein großes Sichtfeld bis zu 10 Grad wird eine Kartierung von hochenergetischen Photonen Quellen ermöglichen. Außerdem wird die gute Auflösung, die deutlich unter 0,1 Grad liegt, detaillierte Untersuchungen von ausgedehnten Objekten ermöglichen.