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Lexikon der Astronomie: Kosmische Strahlung

Die kosmische Strahlung (engl. cosmic rays, CR) oder Höhenstrahlung ist schon recht lange bekannt. Es handelt sich um einen hochenergetischen Teilchenstrom (Korpuskularstrahlung) mit Energien von 107 bis 1020 eV. Der Fluss der kosmischen Strahlung beträgt in mittleren Breiten etwa zwei Teilchen pro 100 cm2 und Sekunde. Die hochenergetische Strahlung vermag sogar tief in Wasser und Gestein einzudringen.

Zusammensetzung der kosmischen Strahlung

Der Teilchenstrom besteht aus Protonen, Alphateilchen, Elektronen, schwereren Ionen und Photonen. Diese Primärstrahlung wird bis sie auf der Erdoberfläche ankommt verändert, dadurch dass sie in der Hochatmosphäre zahlreiche Reaktionen mit Gasmolekülen und anderen Teilchen eingeht. Die daraus hervorgehende Strahlung heißt Sekundärstrahlung, die man in drei Komponenten unterscheidet:

  • Neutronenkomponente, die in einer Höhe von etwa 15 Kilometern erzeugt wird. Hier werden sekundäre Teilchenschauer erzeugt, indem die Primärstrahlung Atomkerne der Hochatmosphäre zerreißt;
  • harte Komponente, bestehend aus Myonen und
  • weiche Komponente, die aus hochenergetischen Photonen und Elektronen besteht.

Photonen der dritten Komponente entstehen beim Zerfall neutraler Pionen und erzeugen die bekannte Kaskadenstrahlung: aus den Photonen (Gammaquanten) bilden sich Elektron-Positron-Paare (Energieäquivalent 1.02 MeV). Die Elektronen und Positronen werden an umgebenden Atomkernen abgebremst und erzeugen die charakteristische Bremsstrahlung. Die Photonen der Bremsstrahlung sind immer noch sehr energiereich und erzeugen ihrerseits wieder Elektron-Positron-Paare. Diese Teilchenschauer (engl. air shower) können mit Air-shower-Detektoren beobachtet werden. Diese Detektoren bestehen aus einer Anordnung vieler lichtempfindlicher Photo-Multiplier-Tubes (PMTs).

Mit Einstein-Effekten kommt man weiter

Die Teilchen der kosmischen Strahlung und ihre Sekundärteilchen bewegen sich relativistisch schnell, so dass sie in einem engen Kegel die Atmosphäre passieren. Bei den Myonen konnte gezeigt werden, dass sie dabei weiter kommen, als man klassisch erwarten würde: die Zeitdilatation der Speziellen Relativitätstheorie bewirkt eine Dehnung des Eigenzeitintervalls, so dass sie längere Wege durch die Atmosphäre zurücklegen können.

Spektrum und Herkunft kosmischer Strahlung

Der Abfall der Verteilung der Kosmischen Strahlung bei hohen Energien erklärt man durch den GZK-cutoff, der Mitte der 1960er Jahre postuliert, aber noch nicht zweifelsfrei nachgewiesen wurde. In den aktuellen Messungen des Air-shower-Detektors AGASA fehlt sogar der GZK-cutoff. Ob 'neue Physik' dabei eine Rolle spielt ist Gegenstand aktueller Forschung. Ebenso ist die Herkunft kosmischer Strahlung nach wie vor unklar. Es gibt eine Reihe von Kandidaten, die für die Emission kosmischer Strahlung verantwortlich sein können: Aktive Galaktische Kerne (AGN), Neutronensterne (z.B. der Crab-Pulsar), Überreste von Supernovae und Hypernovae (also SNRs und GRBRs), Mikroquasar, aber auch Annihilation (Vernichtung) von exotischer Materie. In Bezug auf die letzte Quelle kosmischer Strahlung wurde vorgeschlagen, dass zwei Neutralinos, leichte, hypothetische Teilchen der Supersymmetrie (SUSY), in Gammastrahlung annihilieren. Dies solle funktionieren, weil man vermutet, dass das Neutralino ein Majorana-Teilchen, also sein eigenes Antiteilchen sei. Solche Modelle laufen unter dem Begriff DarkSUSY, wo supersymmetrische Teilchen (als ein Bestandteil) die Dunkle Materie konstituieren. Auch das ist Neuland im Überlappungsgebiet von Astrophysik und Teilchenphysik.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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