Cosmic Ray Detector abgeschlossen

Bildnachweis: Fermilab

Der 100. Detektor für das Pierre Auger Observatorium wurde kürzlich fertiggestellt und macht das Array zum weltweit größten Detektor für kosmische Strahlung. Sobald es funktioniert, sollte der Detektor in der Lage sein, einige der energiereichsten kosmischen Strahlungsteilchen einzufangen – sie treffen nur einmal im Jahr auf eine Fläche von 2,5 Quadratkilometern. Das Geheimnis dieser hochenergetischen Teilchen ist, dass Astronomen keine Ahnung haben, was im Universum sie erschaffen könnte. Die langfristigen Pläne für das Observatorium sehen vor, bis 2005 1.600 Detektoren zu haben.

Mit der Fertigstellung seines hundertsten Oberflächendetektors, dem in Argentinien im Bau befindlichen Pierre Auger Observatorium, wurde diese Woche das größte kosmische Luftduschen-Array der Welt. Das Pierre Auger-Projekt, das von Wissenschaftlern des Fermi National Accelerator Laboratory des Energieministeriums verwaltet wird, umfasst eine 70 Quadratmeilen große Reihe von Detektoren, die die gewalttätigsten und vielleicht rätselhaftesten Prozesse im gesamten Universum verfolgen.

Kosmische Strahlung sind außerirdische Teilchen – normalerweise Protonen oder schwerere Ionen -, die auf die Erdatmosphäre treffen und Kaskaden von Sekundärteilchen erzeugen. Während sich kosmische Strahlen mit einer Reihe von Energien der Erde nähern, glaubten Wissenschaftler lange, dass ihre Energie 1020 Elektronenvolt nicht überschreiten könnte, etwa das 100-Millionen-fache der Protonenenergie, die in Fermilabs Tevatron, dem stärksten Teilchenbeschleuniger der Welt, erreicht werden kann. Jüngste Experimente in Japan und Utah haben jedoch einige solcher kosmischen Strahlen mit ultrahoher Energie entdeckt und Fragen aufgeworfen, welche außergewöhnlichen Ereignisse im Universum sie hervorgebracht haben könnten.

"Wie schafft die Natur die Voraussetzungen, um ein winziges Teilchen auf eine solche Energie zu beschleunigen?" fragte Alan Watson, Physikprofessor an der Universität von Leeds, Großbritannien, und Sprecher der Pierre Auger-Zusammenarbeit von 250 Wissenschaftlern aus 14 Ländern. "Die Rückverfolgung dieser ultrahochenergetischen Partikel zu ihren Quellen wird diese Frage beantworten."

Die wissenschaftliche Theorie kann die Quellen von kosmischen Strahlen niedriger und mittlerer Energie erklären, aber der Ursprung dieser seltenen kosmischen Strahlen hoher Energie bleibt ein Rätsel. Um die kosmischen Mechanismen zu identifizieren, die bei makroskopischer Energie mikroskopische Partikel erzeugen, installiert die Zusammenarbeit von Pierre Auger ein Array, das letztendlich 1.600 Oberflächendetektoren in einem Gebiet der argentinischen Pampa Amarilla von der Größe von Rhode Island in der Nähe der Stadt Malarg? E umfasst. etwa 600 Meilen westlich von Buenos Aires. Die ersten 100 Detektoren überwachen bereits den südlichen Himmel.

"Diese kosmischen Strahlen mit der höchsten Energie sind Botenstoffe aus dem extremen Universum", sagte der Nobelpreisträger Jim Cronin von der University of Chicago, der zusammen mit Watson das Auger-Experiment konzipierte. "Sie bieten eine großartige Gelegenheit für Entdeckungen."

Die kosmischen Strahlen mit der höchsten Energie sind äußerst selten und treffen etwa einmal pro Jahr und Meile auf die Erdatmosphäre. Nach seiner Fertigstellung im Jahr 2005 wird das Pierre Auger-Observatorium eine Fläche von etwa 3.000 Quadratkilometern umfassen, sodass Wissenschaftler viele dieser Ereignisse verfolgen können.

„Unser Experiment wird dort beginnen, wo das AGASA-Experiment aufgehört hat“, sagte Projektmanager Paul Mantsch, Fermilab, und verwies auf das AGASA-Experiment (Akeno Giant Air Shower Array) in Japan. „Bei höchsten Energien scheinen die erstaunlichen Ergebnisse der beiden größten Experimente mit kosmischen Strahlen in Konflikt zu stehen. AGASA sieht mehr Ereignisse als das HiRes-Experiment in Utah, aber die Statistiken beider Experimente sind begrenzt. “

Das Pierre Auger-Projekt, benannt nach dem wegweisenden französischen Physiker, der 1938 erstmals ausgedehnte Luftduschen beobachtete, kombiniert die in den Experimenten in Japan und Utah verwendeten Nachweismethoden. Oberflächendetektoren sind eine Meile voneinander entfernt. Jede Oberflächeneinheit besteht aus einem 4 Fuß hohen zylindrischen Tank, der mit 3.000 Gallonen reinem Wasser gefüllt ist, einem Solarpanel und einer Antenne für die drahtlose Datenübertragung. Sensoren registrieren die unsichtbaren Partikellawinen, die in einer Höhe von sechs bis zwölf Meilen nur Mikrosekunden früher ausgelöst werden, wenn sie den Boden erreichen. Die Partikelschauer treffen fast gleichzeitig auf mehrere Tanks.

Zusätzlich zu den Tanks wird das neue Observatorium mit 24 HiRes-Fluoreszenzteleskopen ausgestattet sein, die das schwache ultraviolette Leuchten von Luftduschen in der Luft aufnehmen können. Die Fluoreszenzteleskope, die nur in dunklen, mondlosen Nächten betrieben werden können, sind empfindlich genug, um das Licht einer 4-Watt-Lampe aufzunehmen, die sich mit fast Lichtgeschwindigkeit sechs Meilen entfernt bewegt.

"Es ist wirklich schön, dass wir ein Hybridsystem haben", sagte Watson. „Wir können Luftduschen in zwei Modi betrachten. Wir können ihre Energie auf zwei unabhängige Arten messen. “

Die Zusammenarbeit mit Pierre Auger bereitet derzeit einen Vorschlag für einen zweiten Standort des Observatoriums in den USA vor. Mit dem gleichen Design wie der argentinische Standort würde das zweite Detektorarray den nördlichen Himmel nach den Quellen der stärksten kosmischen Strahlung absuchen.

Die Finanzierung des Pierre Auger-Observatoriums in Argentinien in Höhe von 55 Millionen US-Dollar erfolgte aus 14 Mitgliedsstaaten. Die USA tragen 20 Prozent zu den Gesamtkosten bei, unterstützt vom Office of Science des Energieministeriums und von der National Science Foundation. Eine Liste aller teilnehmenden Institutionen finden Sie unter http://auger.cnrs.fr/collaboration.html

Fermilab ist ein nationales Labor, das vom Office of Science des US-Energieministeriums finanziert wird und von der Universities Research Association, Inc. betrieben wird.

Originalquelle: Fermilab-Pressemitteilung

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