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Lexikon der Astronomie: GZK-cutoff

GZK-cutoff ist die Fachbezeichnung für einen charakteristischen Abfall in der spektralen Verteilung der kosmischen Strahlung (CR für Cosmic Rays). Die Hochenergiephysiker erwarten diesen Abfall bei höchsten Energien ab etwa 1020 eV.

physikalischer Grund des Abfalls

Die Erklärung dafür ist die Folgende: Die Hauptkomponente in der kosmischen Strahlung sind die Protonen. Besonders energiereiche Protonen ab Energien um 2 × 1020 eV können eine baryonische Resonanz zeigen, die so genannte Deltaresonanz bei 1232 MeV, auch als D(1232) bezeichnet. Die Lebensdauer dieser Resonanz ist mit 10-23 Sekunden äußerst kurz. Der Zustand zerfällt in ein Pion und ein Nukleon (Photopionenproduktion).

Nach Anregung sind die Protonen raus

Wenn nun ultrahochenergetische (UHE) Protonen (oder auch Neutronen, anderen Atomkerne) der kosmischen Strahlung mit kalten Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung (engl. Cosmic Microwave Background, CMB) wechselwirken und D(1232) anregen, fehlen höherenergetische Protonen in der Verteilung der kosmischen Strahlung. Anders gesagt entsprechen die kalten CMB-Photonen im Laborsystem heißen Gammaphotonen im Ruhesystem der Protonen. Durch Reaktionen zwischen Proton und Photon verlieren in jedem Falle die ultrahochenergetische Protonen kinetische Energie. Dies sollte sich in einem steilen Abfall des CR-Spektrums oberhalb von 1020 eV bemerkbar machen.

Ursprung des geheimnisvollen Akronyms GZK

Dies mutmaßten die Pioniere Greisen, Zatsepin und Kuz'min erstmals 1966. Daher nennt man diesen Abfall (engl. cutoff) auch Greisen-Zatsepin-Kuz'min-cutoff oder kurz GZK-cutoff.

Experimenteller Status

Die mittlere freie Weglänge von diesen UHE-Protonen mit 1020 eV liegt Berechnungen zufolge zwischen 30 und 50 Mpc bzw. 100 und 150 Millionen Lichtjahren. Nur lokale Quellen für UHE-Protonen kämen also in Frage, wenn Protonen mit größeren Energien detektiert würden. Es gibt wenige dieser Beobachtungen, die bis heute nicht geklärt sind. Die aktuellen Daten des Airshower-Detektors AGASA sprechen sogar eher für ein Fehlen des GZK-cutoffs. Deshalb warten die Hochenergiephysiker mit Spannung auf neue Messungen, weil erst Großprojekte wie AUGER, EUSO und OWL eine ausreichende Zahl an detektierten Ereignissen und die damit verbundene gute Statistik bringen werden (de Marco et al. 2003).
Es gibt noch eine zweite Prognose: Hill & Schramm bestimmten 1985 einen unteren Schwellwert von 5 × 1019 eV, damit Photopionenproduktion stattfinden kann. Deshalb sollte neben einem scharfen Abfall der Verteilung eine Häufung von Protonen dieser Energie mit unterem Schwellwert beobachtbar sein. Leider ist die Auswertung dieser UHE-Spektren nicht trivial und daher konnte bisher weder eine Häufung (in Form eines Buckels, bumps), noch der GZK-cutoff zweifelsfrei nachgewiesen werden.
Die detektierten Protonen sind gemäß diesem Szenario bestenfalls 'intergalaktisch' (gerade mal etwas weiter als bis zum Virgo-Haufen) und nicht 'kosmologisch'.

Auswege in der Theorie

Eine mögliche Erklärung für die Abwesenheit des GZK-cutoffs sind topologische Defekte.
Es wurden einige Modelle vorgeschlagen, die UHE-Teilchen mit Energien im Bereich von 1011 GeV produzieren könnten. So werden Hybrid-Defekte aus Monopol und kosmischem String oder magnetische Monopole, die in intergalaktischen Magnetfeldern auf die UHE-Skala beschleunigt werden, diskutiert.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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