Instrumente und Methoden;     Astronomie:     Teilchen-Astrophysik

Aus dem Universum kommen ständig verschiedene Teilchen auf die Erde zu.
Eine Gruppe dieser Teilchen setzt sich zusammen aus Atomen, Atomkernen, Ionen und Elementarteilchen sowie hypothetischen Teilchen. Diese Gruppe wird die Gruppe der Astro-Teilchen genannt.
Die zweite Gruppe der auf die Erde zustürzenden Teilchen umfasst gesteiniges oder eisenhaltiges Material, vielleicht umhüllt mit einem Eismantel. Dies ist die Gruppe der Meteoriten, Meteore und Kometen, die Bestandteil des Planetensystems sind. Darüber ist mehr zu erfahren auf der Webseite Einschläge.

Astro-Teilchen:
Kosmische Strahlung     Neutrinos     Subatomare Teilchen     Hypothetische Teilchen und Dunkle Materie

Kosmische Strahlung

Sehr schnelle, hoch ionisierte Atomkerne fliegen durch die Galaxis und stürzen auf die Erdatmosphäre. Sie haben eine derart kräftige Wechselwirkung mit den Atomen und Molekülen der Erdatmosphäre, dass Atome gespalten werden können. Die Spaltprodukte selber haben auch wieder eine Wechselwirkung mit der Erdatmosphäre.

So entsteht ein "shower" (Ausguss) hochenergetischer Teilchen, die zum Teil den Erdboden erreichen, zum Teil ihre Energie über Photonen (sehr kurze, schwache Lichtblitze) verlieren. Diese "Höhenstrahlung" wird detektiert und aus der Intensität und der Form der "shower" kann einiges über die Eigenschaft der Teilchen abgeleitet werden. Dieses Phänomen wird "Kosmische Strahlung" (cosmic rays, CR) genannt.

Skizze Höhenstrahlung (Bild von HEGRA-Info)

Der Ursprung der kosmischen Strahlung ist nicht ganz klar. Zum Teil sind es bei der Explosion einer Supernova freigesetzte schnelle Teilchen, die über weite Umwege auf die Erde zufliegen.

Detektoren für kosmische Strahlung sind z.B.:
  HEGRA (auf La Palma, Kanarische Inseln); siehe auch HEGRA und H.E.S.S. in Heidelberg
  KASKADE (Karlsruhe)

Mit den gleichen Detektoren können auch Photonen im Gamma-Bereich detektiert werden. Mit solchen "Cherenkov Teleskopen" werden z.B. die sogenannten Gamma-Ray-burst Quellen nachgewiesen.

Die Intensität der kosmischen Strahlung schwankt mit dem Zyklus der Aktivtät der Sonne (Sonnenfleckenzyklus). Dies hat Bedeutung für das Verhalten unseres Klimas.

Neutrinos

Das Neutrino ist eines der Elementarteilchen. Es hat keine Ladung und eine sehr geringe (allerdings nicht genau bekannte) Masse. Neutrinos werden freigesetzt in Kernprozessen und haben nur minimale Wechselwirkung mit anderer Materie.
Die solaren Neutrinos entstehen im Zentrum der Sonne bei der Fusion von Wasserstoff zu Helium. Der Strom der solaren Neutrinos durchkreuzt die Erde, wobei (wegen der geringen Wechselwirkung, s.u.) kaum etwas passiert.
Bei Supernovae-Explosionen werden auch Neutrinos freigesetzt. Dies war theoretisch vorhergesagt worden und wurde mit der Supernova SN 1987A in unserer Nachbargalaxie LMC bestätigt.

Neutrino-Detektoren

Trotz einer sehr geringen Wechselwirkung mit anderer Materie gibt es Stoffe, mit denen die Wechselwirkung relativ gross ist, wie z.B. Chlor oder Gallium. Riesige Gefässe mit Detektionsflüssigkeit wurden aufgestellt und zwar tief im Gestein (Tunnel, Bergwerk), um möglichst viel an Störendem (z.B. kosmische Strahlung) abzuschirmen. Wenn ein Neutrino mit einem geeigneten Stoff (Chlor, Gallium, Wasser) wechselwirkt, wird ein Photon freigesetzt. Die Gefässe werden umgeben von tausenden Lichtdetektoren, um dieses Licht als Beweis einer Wechselwirkung nachzuweisen.

Einige der Neutrino-Detektoren, die meistens von gossen Forscherkonsortien betrieben werden, sind:
  GALLEX (im Gran Sasso, Italien)
  BOREXINO (im Gran Sasso, Italien)
  Superkamiokande, der Super Kamioka Neutrino Detektor (Japan)
  AMANDA (Südpol) Hochenergieneutrinos

Der Nobelpreis für Physik 2002 ging zur Hälfte an den Teilchenphysiker Davis und Koshiba, die Neutrinos aber insbesondere Solare Neutrinos erforschten (siehe auch Nobelpreis: Neutrionos und Röntgenastronomie).

Weitere Subatomare Teilchen

Bei der Wechselwirkung der kosmischen Strahlung mit der Erdatmosphäre werden auch Teilchen wie Pionen und Mesonen freigesetzt. Hier gibt es eine Verbindung zwischen der Untersuchung der kosmischen Strahlung und der Kernphysik.

Hypothetische Teilchen und Dunkle Materie

Aus verschiedenen Untersuchungen der Astronomie ging die Notwendigkeit der Existenz zusätzlicher Materie hervor. Da man aber für diese Materie keine Hinweise aus Direktbeobachtung hatte, wurde sie "Dunkle Materie" genannt. Die Art dieser Materie ist nach wie vor unbekannt und es gibt verschiedene Hypothesen zur Art dieser Teilchen. Mehr darüber ist bei Dunkle Materie zu finden.

Detektoren um sogenannte WIMPS (weakly interacting massive particles) unbekannter Art zu entdecken sind:
DAMA, CDMS, CRESST