Das Pierre-Auger-Observatorium: Teilchensuche in der argentinischen Pampa

In der kosmischen Strahlung existieren Teilchen mit ultrahohen Energien oberhalb von 10<SUP>20</SUP> eV. Ihre Entdeckung war eine große Überraschung. Sowohl die Art der Teilchen als auch ihre Quellen sind bislang unverstanden. Extragalaktische Objekte wie aktive Galaxien werden ebenso diskutiert wie neue physikalische Erscheinungen. So genannte Top-Down-Szenarien gehen beispielsweise davon aus, dass die beobachteten Teilchen in der Umgebung der Milchstraße bereits mit hoher Energie beim Zerfall unbekannter Teilchen (möglicherweise der Dunklen Materie) entstehen. Der Nachweis der Teilchen ist sehr aufwändig, weil sie sehr selten sind: Bei diesen Energien erwartet man ungefähr ein Teilchen pro Quadratkilometer und Jahrhundert. Daher sind riesige Detektorflächen nötig, um ausreichend viele dieser Teilchen zu finden. Dies geschieht indirekt über die von ihnen in der Erdatmosphäre ausgelösten Kaskaden von Sekundärteilchen, den Luftschauern.
Höchstenergetische Luftschauer enthalten viele Milliarden Sekundärteilchen, die am Erdboden eine Fläche von mehr als 50 km<SUP>2</SUP> überdecken können.

Schauerdetektoren und Fluoreszenzteleskope

Darstellung eines Luftschauers.

Bildbeschreibung:

Darstellung eines Luftschauers, der von den Fluoreszenzteleskopen im Stereomodus beobachtet wurde und dessen Teilchen in 17 Tanks des Oberflächenfelds nachgewiesen wurden (Stereo-Hybrid-Ereignis). Die Schauerachse ist als rote Linie zusammen mit der entsprechenden Projektion auf die von den Teleskopkameras aufgenommenen Bilder dargestellt. Die rekonstruierte Energie des Schauers beträgt 2 · 10¹⁹ eV.

Das Pierre-Auger-Observatorium ist die weltweit größte Anlage für die Messung von kosmischer Strahlung der höchsten Energien. Erstmals wird bei ihm auch eine Hybridtechnik angewandt: Oberflächendetektoren messen die Sekundärteilchen, und große Teleskope registrieren Fluoreszenzlicht, das die Sekundärteilchen in der Atmosphäre über dem Schauerfeld erzeugen. Diese simultane Nachweismethode reduziert erheblich die systematischen Unsicherheiten der Messung insbesondere in der Energiebestimmung der Primärteilchen. Das Pierre-Auger-Observatorium mit je einem Detektorfeld auf der Süd- und zukünftig auch auf der Nordhalbkugel wird die erste Anlage dieser Art sein, die den gesamten Himmel beobachtet.

Innerer Aufbau eines Tscherenkow-Tanks.

Bildbeschreibung:

Innerer Aufbau eines Tscherenkow-Tanks mit den drei Photomultipliern, einer Solarzellenfläche sowie dem GPS-Empfänger und der Antenne.

Das südliche Auger-Observatorium in der Provinz Mendoza, Argentinien, wurde im November 2005 eingeweiht und wird bis Anfang 2007 voll ausgebaut sein. Es besteht aus insgesamt 1600 Wasser-Tscherenkow-Detektoren, die im Abstand von 1,5 km zueinander aufgestellt sind. Jeder Wassertank hat eine Grundfläche von 10 m² und ist mit 12 Tonnen ultrareinem Wasser gefüllt. Energetische Teilchen eines Luftschauers lösen im Wasser kurze Lichtblitze, so genanntes Tscherenkow-Licht, aus. Drei empfindliche Photomultiplier registrieren diese Emissionen in jedem Tank. Diese Detektortanks sind autonome Stationen mit solarer Energieversorgung, wobei die Kommunikation mit der Datenerfassungszentrale über Mikrowellen erfolgt. Luftschauer werden an der räumlich und zeitlich koinzidenten Messung von Teilchen in mehreren Tanks erkannt. Die Identifikation von Signalen verschiedener Detektoren, die zu einem Ereignis gehören, erfolgt über eine von GPS-Signalen gesteuerte Uhr an jedem Detektor. Die Schauerdetektoren decken eine Fläche von 3000 km² ab, was mehr als der Ausdehnung des Saarlandes entspricht. Sie sollen mehr als zehn Jahre lang Daten sammeln.

Lageplan der Detektoren.

Bildbeschreibung:

Lageplan der Detektoren des südlichen Pierre-Auger-Observatoriums in der Nähe der Stadt Malargüe in Argentinien. Rote Punkte markieren die Wassertanks, blaue Linien kennzeichnen das Gesichtsfeld der einzelnen Fluoreszenzteleskope.

In vier Gebäuden am Rand des Detektorfelds beobachten jeweils sechs Fluoreszenzteleskope in klaren dunklen Nächten (entsprechend 10 bis 15 % der Messzeit) den Himmel über dem Detektorfeld. Diese Teleskope sind elektronische Schmidt-Kameras mit einer Öffnung von etwa 3m2, einer Korrekturlinse und einem 14 m2 großen sphärischen Spiegel. Dieses Design erlaubt ein Gesichtsfeld von 30 mal 30 Quadratgrad pro Teleskop bei hinreichend guter optischer Abbildungsqualität. In der Fokalebene registrieren 440 Photomultiplier die Fluoreszenz- Leuchtspur der Luftschauer mit einer Zeitauflösung von 100 ns. Das entspricht etwa der Aufgabe,eine 30 Kilometer entfernte 40-Watt-Glühbirne aufzunehmen, die fast mit Lichtgeschwindigkeit durch die Atmosphäre fliegt. Während die Tanks die Teilchenverteilung von Luftschauern auf der Erdoberfläche messen, lässt sich anhand der Leuchtspur die Entwicklung der Teilchenzahl entlang der Schauerbahn durch die Atmosphäre rekonstruieren. Die Ergebnisse der Fluoreszenzteleskope dienen unter anderem zur Energiekalibration des Experiments. Außerdem hängen die Form der Schauerentwicklung und die Höhe des Maximums in der Atmosphäre von der Masse des Primärteilchens ab. Von Eisenkernen induzierte Schauer beginnen in größerer Höhe als protoninduzierte Schauer.

Befüllung eines der 1600 Oberflächendetektoren.

Bildbeschreibung:

Füllen eines der 1600 Oberflächendetektoren des Auger-Observatoriums mit ultrareinem Wasser. Im Hintergrund ist ein Teleskopgebäude mit Kommunikationsmast und links davon eine Station zur Messung der Lichtabsorption in Luft (LIDAR) zu sehen.

Um aus der gemessenen Fluoreszenzemission die Energie des Schauers möglichst genau ermitteln zu können, ist es notwendig, die aktuelle meteorologische Situation zu kennen. Deshalb überwachen LIDAR-Systeme den Himmel, zudem lässt man ab und zu Wetterballons aufsteigen.

Bereits in der Aufbauphase des Observatoriums wurden kontinuierlich Daten genommen. Die Beobachtung von Schauern mit mehreren Teleskopen und die simultane Messung der Teilchen in den Wassertanks demonstrieren eindrucksvoll die Leistungsfähigkeit des Auger-Observatoriums. Zu den ersten wissenschaftlichen Ergebnissen gehören ein Energiespektrum der beobachteten Ereignisse, die Durchmusterung des Südhimmels nach Punktquellen und eine obere Grenze für den Anteil von Photonen in der ultra-hochenergetischen kosmischen Strahlung. Eine in verschiedenen Modellen vorhergesagte Punktquelle in der Nähe des galaktischen Zentrums konnte nicht bestätigt werden. Diese Daten beruhen jedoch bisher noch auf sehr wenig Beobachtungszeit, so dass die "integrierte Apertur" nur etwa gleich groß ist wie bei den Experimenten der vorigen Generation.

Ausblick

Bis Ende 2005 waren etwa 1050 Wassertanks und 18 Teleskope des südlichen Auger-Observatoriums aufgestellt. Bis Anfang des Jahres 2007 soll es fertig gestellt werden. Dann wird es eine etwa 30-mal größere Detektorfläche besitzen als das bislang größte Luftschauerexperiment AGASA in Japan. Anschließend ist der Aufbau des nördlichen Observatoriums geplant. Eine vollständige und möglichst gleichmäßige Abdeckung aller Himmelsrichtungen ist entscheidend für die Interpretation der Daten. Für das Nordexperiment wurde von der Auger- Kollaboration ein Areal bei Lamar, Colorado, in den USA ausgewählt.