Pierre-Auger-Observatorium - Teilchenschauer in der Pampa

 "Die kosmische Strahlung wurde 1912 von Viktor Hess bei Ballonflügen entdeckt. Doch bis heute wissen wir nicht, wo die energiereichsten Teilchen der kosmischen Strahlung herkommen. Das ist geradezu ein Jahrhundertproblem," erklärt Professor Karl-Heinz Kampert, Physiker an der Bergischen Universität Wuppertal. Kampert und ein großes internationales Team aus mehr als 200 Wissenschaftlern aus 15 Staaten sind fest entschlossen, einem der ältesten Rätsel der Physik bald ein Ende zu setzen.

Das internationale Auger-Team

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Ein Teil des Auger-Teams. Bei Auger arbeiten mehr als 200 Wissenschaftler aus 15 Staaten mit. Den größten Anteil haben Frankreich, Deutschland, Italien, die USA und Argentinien.

Im Bereich niedriger Energien ist die Erde geradezu einem himmlischen Bombardement ausgesetzt: 200 Teilchen der kosmischen Strahlung treffen pro Sekunde auf jeden Quadratmeter. Doch mit jeder Verzehnfachung der Energie nimmt die Häufigkeit der Teilchen um etwa einen Faktor 1000 ab. "Bei den höchsten Energien, für die wir uns besonders interessieren, weil da die Physik äußerst spannend wird, haben wir nur noch ein Teilchen pro Quadratkilometer und Jahrhundert. Man müsste mit einem kleinen Instrument viele Jahrhunderte messen - aber das können wir nicht...," lacht Karl-Heinz Kampert. Um sich bei der Erforschung der kosmischen Strahlung nicht zu sehr gedulden zu müssen, setzen die Wissenschaftler auf ein entsprechend großes Instrument. "Wir haben mit dem Auger-Observatorium einen 3000 Quadratkilometer großen Detektor. Damit messen wir im Schnitt einmal pro Woche ein Teilchen höchster Energie der kosmischen Strahlung."

Ein Instrument größer als das Saarland? Ja und nein. Das jetzt eingeweihte Auger-Observatorium - nach dem französischen Physiker Pierre Auger (1899-1993) benannt, der 1938 die Luftschauer entdeckt hat - ist tatsächlich das größte Forschungsinstrument auf der Erde. Es befindet sich in einer dünn besiedelten Gegend im Westen Argentiniens. Allerdings besteht es nicht aus einem Stück, sondern aus 1600 Einzeldetektoren, die in jeweils 1,5 Kilometern Abstand voneinander stehen. "Ein hochenergetisches kosmisches Teilchen erzeugt in der Atmosphäre Billiarden von Sekundärteilchen, die sich immer weiter auffächern. Mit fast Lichtgeschwindigkeit rasen die Sekundärteilchen wie ein fliegender Teppich auf den Boden zu. Am Erdboden hat dieser Teppich ungefähr 10 bis 20 Kilometer Durchmesser. Wir müssen nicht den kompletten Boden abdecken, sondern es reichen sozusagen Stichproben."

Pampa-Impression: Detektor und Kühe

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Pampa heute: Luftschauer und Rinderherden. Die Wiederkäuer staunen über den Detektor, lassen sich aber weder von den Physikern noch von der kosmischen Strahlung stören...

Registrieren benachbarte Detektoren gleichzeitig eine hohe Menge an Teilchen, dann wissen die Forscher, dass ein Luftschauer heruntergekommen ist - und rekonstruieren, was für ein Teilchen aus dem All auf die Lufthülle der Erde geprallt ist, erklärt Kamperts Doktorand Heiko Geenen: "Wir bestimmen die Energie der Teilchen, aus welcher Richtung sie kommen und welche Teilchen es sind. Es kommen zum Beispiel Protonen, Eisenkerne, Photonen etc. Diese Messungen erlauben langfristig Rückschlüsse auf die Quellen der Teilchen im Weltall."

Manche Teilchen haben aberwitzig hohe Energien: Ein einzelner winziger Atomkern trägt so viel Energie wie ein Tennisball bei 160 km/h - und ist damit viele Millionen mal energiereicher als die Teilchen in den leistungsstärksten Beschleunigern auf der Erde. Doch die Physiker rätseln, welche Objekte im All derart energiereiche Teilchen ins All schleudern. Selbst mit den "üblichen Verdächtigen" wie Supernova-Explosionen, Schwarzen Löchern und Galaxienkernen ist das kaum möglich.

"Für uns ist die Hauptfrage, ob es in der Natur für die Energie der Kosmischen Strahlung eine Obergrenze gibt. Denn äußerst energiereiche Teilchen der Kosmischen Strahlung - bei denen noch zu klären ist, wie sie überhaupt entstehen können - müssten auf ihrem Wege durch das All zu uns mit den Photonen der Kosmischen Hintergrundstrahlung wechselwirken und dabei Energie verlieren," ergänzt Heiko Geenen. Die Hintergrundstrahlung ist gleichsam das "Nachglühen" des Urknalls und füllt das gesamte Universum an. Die Strahlung müsste die kosmischen Teilchen höchster Energie sozusagen ein wenig ausbremsen - ein Effekt, den drei Physiker Mitte der 60er Jahre unmittelbar nach Entdeckung der Kosmischen Hintergrundstrahlung vorhergesagt haben. Sollten die Teilchen über riesige Entfernungen - also Hunderte Millionen oder gar Milliarden Lichtjahre - zu uns reisen, müsste es eine Obergrenze der Energien geben. Die Auger-Forscher fänden niemals Teilchen über einem bestimmten Energiewert. "Wenn doch, wird es richtig interessant," strahlt Karl-Heinz Kampert. "Dann müssten die Quellen der Teilchen entweder sehr nah sein, irgendwo im kosmischen Vorgarten - oder aber es passiert mit den Teilchen auf dem Weg zur Erde etwas anderes, als wir bisher annehmen. Da käme neue Physik ins Spiel!"

Kosmische Strahlung aus Schwarzen Löchern?

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Galaxien mit Schwarzen Löchern im Zentrum - die fernsten sind bis zu 13 Milliarden Lichtjahre entfernt. Sind Schwarze Löcher die Quellen der Kosmischen Strahlung?

In unserer Milchstraße und der näheren Umgebung sehen die Astronomen keine Objekte, die nach heutigem Wissen Teilchen so hoher Energie produzieren könnten. Womöglich stammt die höchstenergetische kosmische Strahlung nicht von großen Objekten wie Sternen oder Schwarzen Löchern, sondern von massereichen bisher unbekannten Elementarteilchen. Zeigen die Beobachtungen in der Pampa den Physikern bald eine ganz neue Welt des ganz Kleinen? "Eine andere Erklärungsmöglichkeit betrifft ein Grundgerüst der Physik: Die Lorentz-Invarianz. Sie besagt, dass dieselben physikalischen Gesetze gelten, egal ob man sich in Ruhe befindet oder in Bewegung. Experimente laufen immer gleich ab: Egal, ob ich sie im Labor oder im Flugzeug mache. Aber es ist nicht gesichert, dass die Lorentz-Invarianz auf allen Skalen tatsächlich erfüllt ist. Vielleicht wird sie bei so hohen Energien verletzt." Sollte Auger tatsächlich diesen Schluss nahe legen, dann kratzten die Forscher an nichts Geringerem als an Einsteins Spezieller Relativitätstheorie.

Bei Karl-Heinz Kampert und im ganzen internationalen Auger-Team ist die Vorfreude auf die jetzt beginnenden Messungen riesig. Was auch immer herauskommt, es wird spannend - und die Physiker werden nach fast einem Jahrhundert der Lösung des Rätsels der kosmischen Strahlung zumindest ein großes Stück näher kommen. "Entweder stoßen wir auf neue Astrophysik oder neue Grundlagenphysik."