Unter Verwendung von Beobachtungen aus dem TRAUBEN-3 Mit dem Myon-Detektor haben Physiker in Indien und Japan einen kaum verstandenen Bereich des Energiespektrums der kosmischen Strahlung in beispielloser Detailtiefe erforscht. Fahim Varsi am Indisches Institut für Technologie Kanpur und Kollegen identifizierten ein bisher unbekanntes Merkmal in Form eines Knicks im Spektrum. Die Beobachtungen legen nahe, dass die Entstehung der kosmischen Strahlung überdacht werden muss.
Kosmische Strahlen bestehen hauptsächlich aus Protonen und Heliumkernen und sind hochenergetische Teilchen, die ständig die Erdatmosphäre bombardieren. Bei ihrer Wechselwirkung mit der Atmosphäre erzeugen kosmische Strahlen Schauer von Sekundärteilchen, darunter Elektronen, Photonen und Myonen, die auf die Erde niederregnen.
Kosmische Strahlung wurde erstmals 1912 durch mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Beobachtungen von Victor Hess identifiziert. Doch auch mehr als ein Jahrhundert nach ihrer ersten Entdeckung müssen wir noch viel über die Natur dieser Teilchen lernen. Während Astronomen glauben, dass die kosmische Strahlung aus einer Reihe verschiedener Quellen stammt, darunter Sternen, Supernovae und aktiven Galaxienkernen, ist ihr Ursprung nicht vollständig geklärt, da die Teilchen auf ihrem Weg über große Entfernungen zur Erde durch Magnetfelder abgelenkt werden.
Präzise Messungen erforderlich
„Kosmische Strahlung ist bekanntermaßen die energiereichste Teilchen im Universum“, sagt ein Teammitglied Pravata Mohanty am Tata Institute for Fundamental Research in Mumbai. „Eine präzise Messung der Form des elementaren Energiespektrums in der kosmischen Strahlung ist erforderlich, um unser Verständnis ihrer Entstehung, Beschleunigung und Ausbreitung zu verbessern.“
Eine besonders eklatante Lücke im Verständnis liegt in der Mitte des Spektrums der kosmischen Strahlung bei Energien im Bereich von 100 TeV bis 1 PeV. In diesem Fenster sind die Teilchen zu energiereich, um direkt von weltraumgestützten Detektoren erfasst zu werden, aber nicht energiereich genug, als dass eine große Anzahl von Schauerteilchen Detektoren auf der Erde erreichen könnte.
Um diesen Energiebereich genauer zu untersuchen, untersuchte Varsis Team Beobachtungen aus dem GRAPES-3-Experiment. Dabei handelt es sich um ein Myonenobservatorium im Süden Indiens, das über eine Reihe von Szintillationsdetektoren verfügt. Die Anlage liegt auf 2200 m über dem Meeresspiegel und erleichtert so die Erkennung von Myonen, bevor sie mit der Atmosphäre interagieren.
„GRAPES-3 enthält einen großflächigen Detektor, der es uns ermöglicht, die elementare Zusammensetzung der kosmischen Strahlung durch die Myonenkomponente in kosmischen Strahlenschauern zu messen“, erklärt Mohanty. „Mit einem Detektionsbereich, der mehrere tausend Mal größer ist als bei weltraumgestützten Detektoren, gewährleistet GRAPES-3 eine außergewöhnlich hohe statistische Präzision bei den Messungen.“
Vierjähriges Studium
Die Forscher werteten rund 8 Millionen Schauerereignisse aus, die in einem Zeitraum von 460 Tagen in den Jahren 2014 und 2015 beobachtet wurden. Aufgrund der Komplexität ihrer Analyse- und Fehlerkorrekturtechniken dauerte die Analyse vier Jahre. Das Team sagt, dass seine Ergebnisse den ersten detaillierten Blick auf das mittlere Energiefenster liefern.
„Die Studie hat das Protonenspektrum in kosmischer Strahlung von 50 TeV bis 1.3 PeV gemessen und dabei Beobachtungen von weltraumgestützten und bodengestützten Messungen effektiv miteinander verknüpft“, beschreibt Mohanty.
Zu den auffälligsten Merkmalen, die Varsis Team entdeckte, gehörte ein Knick im Energiespektrum bei etwa 166 TeV, wobei bei etwas höheren Energien mehr kosmische Protonen als erwartet entdeckt wurden. Zuvor hatten bodengestützte Experimente einen ähnlichen Knick bei etwa 3 PeV entdeckt, was vermutlich die maximale Energie für kosmische Strahlung ist, die von Galaxien stammt.
Bisher gingen Forscher allgemein davon aus, dass das Protonenenergiespektrum in der beobachteten Region durch ein einfaches Potenzgesetz beschrieben werden kann. Die Entdeckung des Teams scheint diese Annahme jedoch zu widerlegen.
„Es deutet auf die Möglichkeit hin, dass eine Klasse von Quellen, von denen allgemein angenommen wird, dass sie Supernova-Überreste sind, die kosmische Strahlung bis zum beobachteten Knick effektiv beschleunigen kann, während eine andere Klasse jenseits des Knicks vorherrschend wird“, erklärt Mohanty.
Aufbauend auf diesen Ergebnissen hofft Varsis Team, dass bald neue Modelle entstehen könnten, die diese Effekte berücksichtigen. Wenn sie erreicht werden, könnten sie dazu beitragen, unser Verständnis darüber zu stärken, wie kosmische Strahlung entsteht, beschleunigt und sich über intergalaktische Entfernungen ausbreitet.
Die Forschung ist beschrieben in Physical Review Letters.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/kink-in-cosmic-ray-spectrum-puzzles-astrophysicists/
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