Im August 1912 unternahm der österreichische Physiker Victor Hess einen historischen Ballonflug, der ein neues Fenster zur Materie im Universum öffnete. Während er auf 5300 Meter Höhe aufstieg, maß er die Ionisierungsrate in der Atmosphäre und stellte fest, dass sie auf etwa das Dreifache derjenigen auf Meereshöhe anstieg. Er schloss daraus, dass durchdringende Strahlung von oben in die Atmosphäre eindringt. Er hatte die kosmische Strahlung entdeckt.
Diese hochenergetischen Teilchen, die aus dem Weltraum kommen, sind hauptsächlich (89%) Protonen – Kerne von Wasserstoff, dem leichtesten und häufigsten Element im Universum – aber sie enthalten auch Kerne von Helium (10%) und schwerere Kerne (1%), bis hin zu Uran. Wenn sie auf der Erde ankommen, kollidieren sie mit den Atomkernen in der oberen Atmosphäre und erzeugen weitere Teilchen, hauptsächlich Pionen. Die geladenen Pionen können schnell zerfallen und geben dabei Teilchen ab, die Myonen genannt werden. Im Gegensatz zu den Pionen gehen diese keine starke Wechselwirkung mit der Materie ein und können durch die Atmosphäre in den Untergrund eindringen. Die Rate der Myonen, die an der Erdoberfläche ankommen, ist so hoch, dass etwa ein Myon pro Sekunde ein Volumen von der Größe des Kopfes einer Person durchquert.
Eine neue Welt der Teilchen
Studien der kosmischen Strahlung öffneten die Tür zu einer Welt der Teilchen jenseits der Grenzen des Atoms: Das erste Teilchen der Antimaterie, das Positron (das Antielektron), wurde 1932 entdeckt, das Myon 1937, gefolgt vom Pion, dem Kaon und einigen weiteren. Bis zum Aufkommen der Hochenergie-Teilchenbeschleuniger in den frühen 1950er Jahren war diese natürliche Strahlung die einzige Möglichkeit, den wachsenden Teilchen-„Zoo“ zu untersuchen. Als das CERN 1954 gegründet wurde, wurde die kosmische Strahlung sogar in die Liste der wissenschaftlichen Interessen aufgenommen. Aber auch wenn die Beschleuniger zum besten Jagdrevier für neue Teilchen wurden, wird die Physik der kosmischen Strahlung immer noch ausgiebig erforscht.
Die Energien der primären kosmischen Strahlung reichen von etwa 1 GeV – der Energie eines relativ kleinen Teilchenbeschleunigers – bis zu 108 TeV, weit höher als die Strahlenergie des Large Hadron Collider. Die Rate, mit der diese Teilchen oben in der Atmosphäre ankommen, fällt mit zunehmender Energie ab, von etwa 10 000 pro Quadratmeter pro Sekunde bei 1 GeV bis zu weniger als einem pro Quadratkilometer pro Jahrhundert für die Teilchen mit der höchsten Energie. Die sehr hochenergetische kosmische Strahlung erzeugt riesige Schauer von bis zu 10 Milliarden Sekundärteilchen oder mehr, die von Teilchendetektoren aufgefangen werden können, wenn sie sich über Flächen von bis zu 20 Quadratkilometern auf der Erdoberfläche ausbreiten.
Kosmische Beschleuniger
Wie aber erreicht die kosmische Strahlung so hohe Energien? Wo sind die natürlichen Beschleuniger? Die kosmische Strahlung mit der niedrigsten Energie kommt von der Sonne in einem Strom geladener Teilchen an, der als Sonnenwind bekannt ist, aber den Ursprung der Teilchen mit höherer Energie festzulegen, ist schwierig, da sie sich in den Magnetfeldern des interstellaren Raums drehen und wenden.
Durch die Untersuchung von hochenergetischer Gammastrahlung aus dem Weltraum sind Erkenntnisse gewonnen worden. Diese sind weit weniger als die geladenen kosmischen Strahlen, aber da sie elektrisch neutral sind, werden sie nicht von Magnetfeldern beeinflusst. Sie erzeugen Schauer von Sekundärteilchen, die auf der Erde nachgewiesen werden können und die auf den Ursprungspunkt der Gammastrahlen zurückweisen. Zu den Quellen der energiereichsten Gammastrahlen in unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße, gehören die Überreste von Supernovae, wie z. B. der berühmte Krebsnebel; die Schockwellen dieser Sternexplosionen wurden lange als mögliche natürliche Beschleuniger vorgeschlagen. Andere Quellen ultrahochenergetischer Gammastrahlen liegen in anderen Galaxien, wo exotische Objekte wie supermassive Schwarze Löcher die Beschleunigung antreiben könnten. Es gibt auch Hinweise darauf, dass die energiereichste geladene kosmische Strahlung auch in anderen Galaxien einen ähnlichen Ursprung hat.
Kosmische Strahlungsexperimente am CERN
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