Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7187
Contributions to the
29th International Cosmic Ray Conference, Pune, India, 2005 by Forschungszentrum
Karlsruhe Institut für Kernphysik and Universität Karlsruhe Institut für
Experimentelle Kernphysik
Johannes Blümer,
Ralph Engel, Andreas Haungs
Abstract
This report is a compilation of contributions of institutes of the Forschungszentrum Karlsruhe and
University Karlsruhe to the International Cosmic Ray
Conference (ICRC) held in
The scientific results presented in these articles have been obtained
within and with the support of the Centre of Excellence for Particle and Astroparticle Physics (CETA, http://www.ceta.uni-karlsruhe.de/) and the Virtual Institute for High-Energy Radiation from the Cosmos (VIHKOS, http://www-ik.fzk.de/~vihkos/). VIHKOS is an association of 2 Helmholtz research
centres, 3 Max Planck institutes and 13 universities with the aim of supporting
the interaction and integration of research centres and universities for the
investigation of astrophysical questions related to cosmic ray physics.
KASCADE-Grande (KArlsruhe Shower Core and Array DEtector
with the extension Grande) is a
multi-detector set-up on the site of the Forschungszentrum
Karlsruhe. The different detector systems allow the
reconstruction of a large set of observables for each measured air shower
providing comprehensive information for the analyses. The main aim of the
experiment is the determination of the primary energy spectrum and mass
composition of cosmic rays in the knee region, i.e. at primary energies of 100 TeV - 1 EeV. The results of the
initial experiment KASCADE establish the fact that the knee at a few PeV is dominated by light primaries, whereas the flux of
heavy primaries shows no knee in the energy region up to 50 PeV.
The extension of KASCADE to KASCADE-Grande
for measurements of cosmic rays in the energy region above 50 PeV up to 1 EeV lead to first
results after one year of data taking, which were presented at the conference.
The LOPES project
addresses investigation of radio emission from extensive air showers with the
aim to establish this detection technique as a suitable new method for
measuring high-energy cosmic rays. LOPES consists of
an array of 30 dipole antennas which measure in the frequency range of 40 to 80
MHz in coincidence with KASCADE-Grande. First, very promising experimental
results as well as theoretical studies of the possible emission processes in
the radio frequency range were reported at the ICRC 2005.
The southern part of the Pierre
Auger Observatory is presently under construction in the Province
Mendoza, Argentina. It will consist of a 3000 km2 array of 1600 water Cherenkov detectors and 24 fluorescence telescopes. The
Auger experiment is designed to measure cosmic rays of ultra-high energy, e.g.
above 10 EeV with the aim of investigating the energy
spectrum, type and origin of these elusive particles. The
The contributions of the
In addition to the collaboration works of the KASCADE-Grande and Auger
groups the many individual, cosmic ray related contributions are also compiled
in this volume. They cover a wide range, including results of experiments
concerning cosmic rays of lower energies (TRACER), dark matter search by analysing low energy gamma-rays by
satellite measurements, and performance studies of detectors for the space
experiment AMS.
Beiträge zur 29th International
Cosmic Ray Conference
(ICRC), Pune, India, 2005
des Forschungszentrums Karlsruhe, Institut für Kernphysik und der Universität
Karlsruhe, Institut für experimentelle Kernphysik
Zusammenfassung
Forschungszentrums
und der Universität Karlsruhe in enger Zusammenarbeit mit weiteren nationalen
und internationalen Universitäten und Instituten entstanden sind. Die Beiträge
der beteiligten Institute konzentrieren sich dabei auf den wissenschaftlichen
Stand der Luftschauer-Experimente KASCADE-Grande
mit LOPES und des Pierre Auger- Projektes, Der vorliegende
Bericht fasst Beiträge zur zweijährlich stattfindenden internationalen Konferenz
zur kosmischen Strahlung (ICRC 2005) zusammen, die von den herausgebenden Instituten
des ergänzt durch eine Reihe von weiteren Beiträgen zu relevanten Themenbereichen,
auch in Energiebereichen der kosmischen Strahlung, die mit direkten Messungen
zugänglich sind.
Alle hier vorgestellten
Aktivitäten der beteiligten Institute sind sowohl in das Exzellenzzentrum CETA
(Centrum für Elementarteilchenphysik und
Astroteilchenphysik http://www.ceta.uni-karlsruhe.de/) der Universität Karlsruhe, als auch in VIHKOS
(Virtuelles Institut für Hochenergiestrahlungen aus dem Kosmos http://www-ik.fzk.de/~vihkos/)
eingebettet. VIHKOS ist
eine gemeinsame Einrichtung von 2 Helmholtz-Zentren, 3 Max- Planck-Instituten
und 13 deutschen Universitäten zur gemeinsamen Erforschung bedeutender astrophysikalischer
Fragen mit Hilfe der Messung hochenergetischer kosmischer Strahlung.
KASCADE-Grande (KArlsruhe
Shower Core
and Array DEtector mit der Erweiterung Grande)
ist ein Multi-Detektor-Aufbau auf dem Gelände des Forschungszentrums Karlsruhe.
Die unterschiedlichen Detektorsysteme erlauben die Rekonstruktion einer großen
Anzahl von Observablen pro Ereignis. Das Hauptziel
des Experimentes ist die Bestimmung des primären Energiespektrums und der
Elementzusammensetzung der kosmischen Strahlung im Energiebereich des ‚Knies‘
(100 TeV – 1 EeV).
Die Ergebnisse des ursprünglichen KASCADE-Experimentes
zeigen nun, dass das Knie durch die leichte primäre Komponente dominiert wird
und das Spektrum der schweren Teilchen kein Knie im Energiebereich bis 50 PeV aufweist. Nach einem Jahr der Datennahme konnte bei der
Konferenz über erste Ergebnisse von KASCADE-Grande,
der Erweiterung des KASCADE Experimentes zur Messung der kosmischen
Strahlung im Energiebereich von 50 PeV bis 1 EeV, berichtet werden.
Das Ziel des LOPES Projektes
ist die Untersuchung der Emission von Radiostrahlung während der
Luftschauerentwicklung in der Atmosphäre, sowie die Etablierung dieser Nachweistechnik
als neue Messmethode kosmischer Strahlung höchster Energien. LOPES besteht aus
einem Feld von 30 Dipolantennen, die Radiostrahlung in einem Frequenzbereich von
40 bis 80 MHz in Koinzidenz mit KASCADE-Grande
messen. Auf der ICRC 2005 wurden erste spektakuläre Resultate von LOPES, sowie
theoretische Studien zum Mechanismus der Radioemission in Luftschauer vorgestellt.
Der Aufbau des Südteiles des Pierre
Auger-Observatoriums wird momentan in Argentinien
fertig gestellt. Es besteht aus einem 3000 km2 großem Array aus 1600 Wasser-Cherenkov- Tanks und 24 Fluoreszenzdetektoren. Das Auger-Experiment wird das Energiespektrum, die Herkunft und
die Art der höchstenergetischsten kosmischen Teilchen über 10 EeV messen. Die Karlsruher Forschungsgruppen leisten einen
signifikanten Anteil am Bau und Betrieb der Fluoreszenzteleskope, sowie an der
Analyse der ersten Daten. Die Beiträge in diesem Bericht widmen sich dem Monitoring der Atmosphäre während der Fluoreszenzmessungen,
sowie ersten Daten-Analysen, dem Anteil primärer Photonen in der kosmischen
Strahlung, und Untersuchungen zur Erzeugung des Fluoreszenz- und Cherenkov-Lichtes in der Luftschauerentwicklung.
Über Erweiterungen, Verbesserungen
und mithilfe von Beschleunigerdaten durchgeführte Tests des Luftschauersimulationsprogrammes
CORSIKA (COsmic Ray Simulation
for KASCADE and Auger)
wird berichtet. Weitere Artikel diskutieren die Benutzung einer neuen Simulationstechnik,
der so genannten Hybrid-Technik, die durch Verbindung von analytischen und
Monte Carlo-Methoden eine wesentlich schnellere Simulation der
Luftschauerentwicklung ermöglicht, was vor allem bei hohen Primärenergien an
Bedeutung gewinnt.
Zusätzlich zu den kollaborativen
Arbeiten an den KASCADE-Grande und Auger Experimenten werden weitere relevante Themen zur
kosmischen Strahlung diskutiert. Dies beinhaltet sowohl Messungen und Analysen
von Experimenten zur kosmischen Strahlung niederer Energien (TRACER),
die Suche nach dunkler Materie durch Analyse von mit Satelliten gemessener
niederenergetischer Gammastrahlung, als auch Studien zu Detektoreigenschaften
für ihre Anwendung im Rahmen des Raumfahrtexperiments AMS.