Der Kosmos im Wassertank bei AUGER

Detektor in der Pampa

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Einer der Auger-Detektoren zum Nachweis der Luftschauer. Das Wasser in den Tanks muss äußerst rein sein - und wird vor dem Einfüllen speziell gereinigt. Schon geringe bakterielle Verschmutzungen würden das Wasser schnell trübe und den Detektor damit blind machen. Das Wasser muss länger als zehn Jahre lang klar bleiben! Im Hintergrund die hohen Gipfel der Anden.

Nein, die "Pampa Amarilla", die gelbe Pampa, irgendwo südlich von Mendoza im Westen Argentiniens, nahe den Anden und der Grenze zu Chile sieht auf dem ersten Blick so gar nicht wie das größte physikalische Meßinstrument der Welt aus. Doch die lose verteilten flachen Zylinder - bald befinden sich 1600 Stück in der weiten Pampa-Ebene - sind Teile des Pierre-Auger-Observatoriums. Auger, so die Kurzbezeichnung, ist mit mehr als 3000 Quadratkilometern Ausdehnung größer als das Saarland. Das Observatorium ist zudem sehr hoch... "Wir benutzen die Erdatmosphäre als aktiven Teil unseres Detektors," erklärt Karl-Heinz Kampert, Physiker an der Bergischen Universität Wuppertal. "Ein hochenergetisches kosmisches Teilchen erzeugt in der Atmosphäre eine Lawine von Sekundärteilchen, die wir am Boden messen. Das ist fast so eine Art lichtschnell fliegender Teppich."

Gewusst wie: Zwar gelangen die Teilchen aus den Tiefen des Kosmos, die Kampert und sein Team erforschen wollen, nicht bis auf den Erdboden, sondern kollidieren vorher mit Teilchen in der Lufthülle der Erde. Doch dabei entstehen kaskadenartig viele neue Teilchen, so genannte Luftschauer, die sich dann in den flachen Zylindern in der Pampa nachweisen lassen. Jeder Zylinder ist ein großer Tank und enthält ein ebenso simples wie effizientes Nachweismaterial: Wasser. Alle 1600 Tanks enthalten jeweils 12000 Liter Wasser. Im Innern der Tanks ist es perfekt dunkel. Die fast lichtschnellen Teilchen der Luftschauer laufen nahezu ungehindert durch Mauern und Tankwände und erzeugen beim Flug durch das Wasser ein charakteristisches blaues Leuchten - so genannte Cherenkov-Strahlung. Dieses blaue Leuchten registrieren spezielle Sensoren an den Tankwänden und melden die Daten per Funk in die Zentrale. Karl-Heinz Kampert: "Wenn eine bestimmte Anzahl von benachbarten Detektoren gleichzeitig eine hohe Menge an Teilchen nachweist, dann wissen wir, dass ein Luftschauer, so ein fliegender Teppich, heruntergekommen ist. Aus den Messdaten lassen sich Energie, Bewegung und Art des Teilchens rekonstruieren."

Quellen der Kosmischen Strahlung?

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Auger soll klären, wo die Kosmische Strahlung herkommt. Womöglich reist sie einige Milliarden Lichtjahre durch das Weltall, bevor sie in den Wassertanks in der Pampa nachgewiesen wird.

Doch Auger ist nicht nur groß, das Instrument ist auch sehr vielseitig. Nach dem Motto "getrennt messen - vereint entdecken" verfügt Auger neben den 1600 Wassertanks auch über 24 Teleskope von je 12 Quadratmetern Spiegelfläche, erklärt Heiko Geenen, Doktorand bei Karl-Heinz Kampert in Wuppertal: "Zusätzlich zur Messung am Boden haben wir noch eine zweite unabhängige Messung, indem wir die Leuchtspur der Luftschauer beobachten. Rast so ein fliegender Teilchen-Teppich durch die Atmosphäre, werden die Stickstoffmoleküle in der Luft zum Leuchten angeregt. Dieses schwache Fluoreszenz-Leuchten beobachten wir in klaren mondlosen Nächten mit den optischen Teleskopen, die den Himmel über dem Gebiet mit den Wassertanks im Blick haben." Das von den Luftschauern verursachte Leuchten entspricht einer fast lichtschnell bewegten 60-Watt-Glühlampe in 40 Kilometern Entfernung. Mit Belichtungszeiten im Mikrosekundenbereich verfolgen Heiko Geenen und das ganze Team die Entwicklung der Luftschauer im optischen Bereich. Beim Beobachten gilt die Faustregel: Je heller der Schauer, desto energiereicher war das Teilchen der kosmischen Strahlung, das ihn ausgelöst hat.

Doch während die Tanks rund um die Uhr, 365 Tage im Jahr Luftschauer nachweisen, können die Teleskop nur etwa während 10 Prozent der Beobachtungszeit zum Einsatz kommen. Zu anderen Zeiten ist es zu hell oder das Wetter zu schlecht. Die zweite Messung eines Luftschauers ist keineswegs überflüssiger Luxus, betont Geenen: "Mit den Teleskop-Daten können wir unsere Messstationen am Boden eichen und testen. Wir bestimmen auf zwei völlig unterschiedliche Weisen, welche Energie und Richtung die Teilchen haben. Das zeigt uns, ob wir die Instrumente gut genug verstehen und bei der Datenanalyse alles richtig machen."

Fluoreszenz-Teleskop von Auger

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Suche nach der Leuchtspur: Eines der 24 Teleskope, die nach dem schwachen Fluoreszenz-Leuchten Ausschau halten, das die Luftschauer verursachen.

Heiko Geenen beschäftigt sich im Rahmen seiner Doktorabeit damit, wie sich aus den Teleskop-Daten das Energiespektrum der beobachteten Teilchen ermitteln lässt, also wie viele Teilchen der kosmischen Strahlung bei einer bestimmten Energie auftreten. "Eine Messung ist niemals absolut exakt, sondern enthält immer einen gewissen Fehler. Zudem sehen die Detektoren nicht in alle Richtungen gleich gut: Teilchen hoher Energie werden leichter erfasst als schwächere Teilchen." Doch da die Physiker vor allem feststellen wollen, ob es in der Natur eine bestimmte Obergrenze für die Energie der Teilchen gibt, müssen sie die Messung der Energien durch Auger präzise verstehen: "Ich arbeite an einem Analyse-Algorithmus, der diese Fehler bei der Bestimmung des Energie-Spektrums berücksichtigt. Einfach gesagt: Wir machen aus einer Brille, die unscharf und verschmiert sieht, eine schön scharfsichtige Brille."

Schon mehr als die Hälfte des Experiments ist fertig aufgebaut. Pro Tag stellen die Forscher drei bis vier weitere Tanks in der Pampa auf. Ab Mitte 2007 soll Auger dann voll arbeiten - und mit 1600 Wassertanks und 24 Teleskopen den energiereichsten Teilchen nachspüren, die uns aus dem Kosmos erreichen.