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Astroteilchenphysik

Astroteilchenphysik
Das Pierre-Auger-Observatoirum (Foto: Steven Saffi, Auger Collaboration)
Astroteilchenphysik
Foto: Auger Collaboration

Kosmische Strahlung

Die Erde ist einem ständigen Strom von energiereichen Partikeln aus dem Weltraum ausgesetzt, deren Entstehung, Beschleunigung, Ausbreitung und Wechselwirkung mit der Lufthülle der Erde nach wie vor ungeklärt ist. Die hohe Primärenergie der Partikel wird beim Durchdringen der Erdatmosphäre in entsprechend viele Sekundärteilchen ("Luftschauer") umgesetzt, die dann am Boden nachweisbar sind. Das KIT konzentriert sich auf die besonders hochenergetischen Ereignisse.

Pierre Auger-Observatorium

Je höher die Energie der kosmischen Partikel ist, desto seltener sind sie. Von den höchstenergetischen trifft nur ein Teilchen pro Quadratkilometer und Jahrhundert auf die Erdatmosphäre. Deshalb hat eine internationale Forscher-Kollaboration aus 18 Ländern, bei der das KIT die stärkste Gruppe stellt, in der argentinischen Pampa das Pierre Auger-Observatorium aufgebaut. Das Observatorium ist der weltweit größte Detektor für kosmische Strahlung.

Teilchenastronomie

Die ersten Resultate des Auger-Observatoriums sind so spannend, dass ein weltweites Konsortium Entwicklungsstudien betreibt für ein noch größeres und leistungsstärkeres Experiment. Damit könnten dann die extragalaktischen Teilchen am gesamten Himmel und in ausreichender Anzahl beobachtet werden.

Neue Technologie
Die positiv und negativ geladenen Teilchen in Luftschauern werden im Magnetfeld der Erde abgelenkt und erzeugen dabei Radiostrahlung. Aus diesem Effekt entwickeln Forscher des KIT mit Hilfe von Radioantennen in verschiedenen Frequenzbereichen am Pierre Auger-Observatorium eine neue, effektive Messmethode für kosmische Strahlung.


Astroteilchenphysik
Foto: NASA
Astroteilchenphysik
Foto: EDELWEISS Collaboration

Dark Matter

Was wir mit Teleskopen sehen, beispielsweise Sterne und Planeten, macht nach neuesten Erkenntnissen der Kosmologie nur rund fünf Prozent der Energiedichte und Materie im Universum aus. 95 Prozent bilden so genannte Dunkle Energie und Dunkle Materie, deren physikalische Natur bislang völlig ungeklärt ist. Die Dunkle Energie erfüllt das Universum homogen und bewirkt, dass es beschleunigt expandiert. Die Dunkle Materie macht sich bei vielen astrophysikalischen Beobachtungen durch ihre Schwerkraftwirkung bemerkbar.

Das KIT ist maßgeblich an Experimenten zur Suche nach Dunkler Materie beteiligt – mit kryogenen Detektoren wie bei EDELWEISS und seinem Nachfolgeprojekt EURECA, mit AMS-02 auf der internationalen Raumstation oder mit dem CMS-Experiment am LHC.

WIMPs
Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik sagen die Existenz eines Teilchens voraus, dem die Physiker den Arbeitstitel "WIMP" gegeben haben: "Weakly Interacting Massive Particle", schwach wechselwirkendes massives Teilchen. Diese WIMPs gelten als wichtigste Anwärter für die Erklärung der Dunklen Materie. Es wird erwartet, dass sie sich in Teilchenwolken um Galaxien konzentrieren und dann in seltenen Fällen an normaler Materie streuen oder sich gegenseitig vernichten und dadurch zusätzlich kosmische Strahlung erzeugen.

EDELWEISS
Für die Suche nach den WIMPs entstand im französisch-italienischen Fréjus-Tunnel, durch 1.800 Meter Gestein von der kosmischen Strahlung abgeschirmt, das Experiment EDELWEISS (Expérience pour Detecter Les Wimps En Site Souterrain). Das KIT ist unter anderem für die Datenauslese und den Myon-Vetozähler verantwortlich.

Alpha-Magnetic-Spectrometer AMS-02
Das AMS-02 Experiment ist seit 2011 auf der Raumstation ISS in Betrieb. Gruppen des KIT waren am Bau der Ausleseelektronik beteiligt, analysieren die Messdaten und untersuchen, wie kosmische Strahlung aus der Vernichtung zweier WIMPs in die Erdatmosphäre gelangt.