Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7340
Contributions to the 30th International Cosmic Ray
Conference, Merida, Mexico, 2007 by Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für
Kernphysik, Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik and
Universität Karlsruhe, Institut für Experimentelle Kernphysik
Johannes Blümer, Ralph Engel, Andreas Haungs (Editors)
Abstract
The bi-annual International Cosmic Ray Conferences have
become the most central meetings for discussing new results and recent progress
in the field of cosmic ray research. The contributions to these conferences
cover a wide range of subjects extending from the physics of the sun and
heliosphere, over gamma-ray observations to direct and indirect cosmic ray
measurements and their interpretation. Many new results are announced for the
first time at these meetings.
The present volume is a compilation of the contributions of
Institutes of Forschungszentrum Karlsruhe and University Karlsruhe to the 30th
International Cosmic Ray Conference (ICRC), held in Merida, Mexico from July 3
to 11, 2007. The collection of contributions provides an up-to-date review of
the current activities and research projects related to cosmic rays that are
pursued in Karlsruhe. The articles also demonstrate the enormous progress that
has been made during the last years, in particular in the field of ultra-high
energy cosmic rays. Most of these contributions are the result of close and
fruitful collaboration of many different groups worldwide, first of all within
international collaborations such as the Pierre Auger, LOPES and KASCADE-Grande
Collaborations, but also within smaller groups.
The articles compiled in this report are sorted according to
the main research foci of the Karlsruhe groups. These include the physics of
the knee in the cosmic ray spectrum, the transition between galactic and
extra-galactic cosmic rays, and extragalactic cosmic rays of the highest
energies.
Cosmic rays in the energy range from just below the knee in
the cosmic ray spectrum (1014.5 eV) to the energy of the conjectured transition
between galactic and extra-galactic cosmic rays are studied with the
KASCADE-Grande detector at the site of Forschungszentrum Karlsruhe.
KASCADE-Grande is a multi-detector air shower array, which combines the
electron and muon detectors of the KASCADE (KArlsruhe Shower Core and Array
Detector) array with a 0.5 km2 array of scintillators. Based on a data set from
about 3 years of operation, first shower size spectra have been derived and
limits on the anisotropy of the cosmic ray flux were presented at the
conference.
An alternative method of air shower detection is the
measurement of radio signals produced by the particles showers in the
atmosphere. The physics potential of this detection technique is investigated
with the LOPES (LOFAR PrototypE Station) array of dipole antennas at the site
of the KASCADE-Grande installation. Measuring the electric field strength in
the frequency range from 40 to 80 MHz, a very good correlation between the
shower energy reconstructed with KASCADE-Grande and the radio signal was found.
Important contributions presented at the conference include the investigation
of the influence of thunderstorms on the measured field strength and the
measurement of showers with large zenith angles as well as significant progress
in the modelling of the emission processes of the radio signals during the
shower development.
The study of cosmic rays at the highest energies and the
transition between galactic and extra-galactic cosmic rays is the aim of the
Pierre Auger Project. The Pierre Auger Observatory is the largest cosmic ray
detector with one installation in the northern and southern hemisphere to
ensure full sky coverage. The southern detector is currently under construction
in the Province of Mendoza, Argentina. After completion it will consist of 24
fluorescence telescopes and a surface detector array of 1600 water Cherenkov
tanks, covering an area of 3000 km2. A site near Lamar in Colorado, USA has
been selected for the northern observatory and preparatory R&D work has
begun. The data taken with the southern observatory during construction
correspond to about 75% of one year of operation with the completed
observatory. Even with this limited data set, the Auger results represented the
highlights of the conference. The Auger data provide unambiguous proof of a
suppression of the ultrahigh energy cosmic ray flux. They also show that the
fraction of photons in the highest energy cosmic rays is very small, ruling out
many exotic physics scenarios. Furthermore, a significant discrepancy between
the characteristics of simulated and measured air showers at ultra-high energy
has been found.
Due to the indirect character of cosmic ray measurements with
air showers, all analyses discussed above depend on the detailed simulation of
cosmic ray interactions and extensive air showers. Recent progress in this
field is summarized in the contributions related to the CORSIKA (Cosmic Ray
Simulations for KASCADE and Auger) simulation package, the measurement of the
characteristics of hadronic interactions, and air shower simulation studies.
Other contributions to the conference in Merida include the
measurement of the fluorescence light yield with the AIRLIGHT experiment in
Karlsruhe, the direct measurement of cosmic rays at lower energy with the
balloon borne instrument TRACER (Transition Radiation Array for Cosmic
Energetic Radiation) and possible theoretical interpretations, and the search
for signals from dark matter annihilation.
Beiträge zur 30th
International Cosmic Ray Conference (ICRC), Merida, Mexico, 2007 des
Forschungszentrums Karlsruhe, Institut für Kernphysik und Institut für
Prozessdatenverarbeitung und Elektronik, sowie der Universität Karlsruhe,
Institut für experimentelle Kernphysik
Zusammenfassung
Die zweijährlich
stattfindende internationale Konferenz zur kosmischen Strahlung (ICRC) ist die
in diesem Forschungsbereich weltweit wichtigste Tagung um Resultate und neueste
Entwicklungen vorzustellen und zu diskutieren. Beiträge zu diesen Konferenzen
umfassen einen weiten wissenschaftlichen Bereich mit experimentellen
Ergebnissen aus der Sonnenund Heliosphären-Physik, über die Quellenbeobachtung
mit hochenergetischen Gammas bis zu direkter und indirekter Messung kosmischer
Teilchen, sowie die Interpretation all dieser Beobachtungen. Viele neue
Resultate werden bei dieser Konferenzreihe erstmalig der Öffentlichkeit
vorgestellt.
Die in diesem Band
zusammengestellten Beiträge sind von den herausgebenden Instituten des
Forschungszentrums und der Universität Karlsruhe in enger und fruchtbarer
Zusammenarbeit mit weiteren nationalen und internationalen Universitäten und
Instituten entstanden und auf der diesjährigen ICRC vorgestellt worden. Die
Zusammenarbeit betrifft insbesondere Studien und Datenanalysen innerhalb der
großen internationalen Kollaborationen wie der Pierre-Auger-, der
KASCADE-Grande-, und der LOPES-Kollaborationen, aber auch Arbeiten innerhalb
kleinerer Gruppen. Die Sammlung stellt damit einen Überblick über alle die
kosmische Strahlung betreffenden, aktuellen Karlsruher Aktivitäten und Projekte
dar. Die Beiträge belegen auch den enormen Fortschritt im in diesem
Forschungsgebiet der letzten Jahre, insbesondere bei der Messung und Analyse
der hochenergetischen kosmischen Strahlung.
Die Beiträge in
diesem Band sind geordnet gemäß den Forschungsschwerpunkten der Karlsruher
Gruppen. Dies betrifft die kosmische Strahlung im Energiebereich des so
genannten Knies, dem Bereich des Übergangs von galaktischer zu
extragalaktischer kosmischer Strahlung und der Messung extragalaktischer
Teilchen höchster Energien.
Luftschauermessungen
von kosmischen Teilchen mit einer Energie gerade unterhalb des Knies im
Spektrum (1014.5 eV) bis in etwa zu einem Energiebereich, bei dem der Übergang
von galaktischem zu extragalaktischem Teilchenursprung vermutet wird, werden
mit dem KASCADE-Grande Experiment gemessen, das sich auf dem Gelände des
Forschungszentrums Karlsruhe befindet. Kascade-Grande ist ein Multi-Detektor
Aufbau, das die Detektoren des ursprünglichen KASCADE Experimentes mit einem
neuen Detektorfeld verbindet, das aus 37 Stationen besteht, verteilt auf einer
Fläche von 0.5 km2. Basierend auf einen Datensatz von nunmehr drei
Betriebsjahren, konnten auf der Konferenz erste Ergebnisse bezüglich Spektren der
gemessenen Schauergrößen, sowie Grenzen für Anisotropien in der Verteilung der
Ankunftsrichtungen der kosmischen Teilchen vorgestellt werden.
Als eine
alternative Messmethode hochenergetischer Teilchen wird die Messung der
Radioemission während der Luftschauerentwicklung in der Atmosphäre betrachtet.
Das physikalische Potential dieser neuen Messtechnik wird mit Hilfe der LOPES
(LOFAR PrototypE Station) Dipolantennen untersucht. LOPES ist aufgebaut
innerhalb des KASCADE-Grande Experimentes und misst in Koinzidenz mit den
Teilchendetektoren. Mit LOPES wird die elektrische Feldstärke im
Frequenzbereich von 40-80 MHz gemessen, und es konnte eine sehr starke
Korrelation mit der primären Energie der Schauer auslösenden Teilchen gefunden
werden. Weitere wichtige Ergebnisse dieser Untersuchungen, wie der Einfluss von
Gewitterstürmen auf die Feldstärke oder das Verhalten der Radioemission für
sehr waagrechte Schauer konnten ebenfalls präsentiert werden. Zudem konnte über
einen signifikanten Fortschritt in der Simulation der Emissionsprozesse des
Radiosignals berichtet werden.
Das Studium der
höchstenergetischsten kosmischen Teilchen und des Übergangs von galaktischer zu
extragalaktischer kosmischer Strahlung ist das Ziel des Pierre Auger Projektes.
Das Pierre Auger Observatorium ist das weltweit größte seiner Art mit je einer
Installation auf der Nord- und der Südhalbkugel der Erde. Der südliche
Experimentteil in der Provinz Mendoza in Argentinien steht kurz vor der
Fertigstellung. Nach dem vollständigen Aufbau wird es aus 24
Fluoreszenz-Teleskopen und einem Feld von 1600 Wasser- Tscherenkow Detektoren
bestehen, das eine Fläche von 3000 km2 abdeckt. Die Kleinstadt Lamar in
Colorado, USA wurde als Areal für das Nord-Observatorium ausgesucht, und erste
vorbereitende Entwicklungsarbeiten vor Ort wurden begonnen und auf der
Konferenz präsentiert. Die im südlichen Observatorium bereits genommen Daten
entsprechen ungefähr 75% der Messzeit eines Jahres des vollständig aufgebauten
Experimentes. Bereits mit diesem begrenzten Datensatz waren die ersten Auger
Ergebnisse das wissenschaftliche Highlight auf der diesjährigen Konferenz. Die
Analysen der Daten beweisen eindeutig eine Unterdrückung im Fluss der
höchstenergetischsten kosmischen Strahlung. Auch konnte gezeigt werden, dass der
Anteil primärer Gammastrahlung in diesem Energiebereich sehr klein ist, und
dass damit bereits viele exotische Theorien zur Entstehung der kosmischen
Strahlung ausgeschlossen sind. Des Weiteren wurde eine signifikante Diskrepanz
in der Charakteristik von simulierten zu gemessenen Luftschauern bei den
allerhöchsten Energien gefunden und auf der Konferenz diskutiert.
Da alle Messungen
dieser kosmischen Teilchen nur indirekt über den Nachweis von Luftschauer
durchgeführt werden können, basieren alle Analyse Ergebnisse auf detaillierten
Simulationen der Luftschauerentwicklung und hier insbesondere der hadronischen
Wechselwirkungen. Fortschritte auf diesem Gebiet wurden präsentiert in
Beiträgen im Zusammenhang mit der Weiterentwicklung und Verbesserung des CORSIKA
(Cosmic Ray Simulations for KASCADE and Auger) Simulation-Programmes, der
besseren Beschreibung hadronischer Wechselwirkungen auch durch Beteiligung an
Beschleunigerexperimenten, und allgemeinen Studien zur Luftschauerentwicklung.
Weitere Beiträge aus
Karlsruhe zur Konferenz in Merida hatten zum Thema die Messung der
Fluoreszenz-Lichtausbeute mit dem AIRLIGHT-Experiment in Karlsruhe, die direkte
Messung kosmischer Teilchen niedrigerer Energien und deren Interpretation mit
dem Ballon- Experiment TRACER (Transition Radiation Array for Cosmic Energetic
Radiation) und die Suche nach Signalen der Annilihation von Teilchen der
dunklen Materie.
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