Kosmische Beschleuniger – Astronomie bei höchsten Energien


Flugbahn eines geladenen Teil­chens an einer relativistischen Schockfront.

Auf dem Gebiet der Hochenergieastrophysik arbeiten am MPIK Experimentatoren mit Erfahrung in der Teilchenphysik eng mit mehr theoretisch orientierten Astrophysikern zusammen. Mit dem High-Energy Stereoscopic System H.E.S.S. beobachten sie höchst­energetische (VHE) Gammastrahlen aus dem Kosmos, um damit nicht-thermische Phänomene im Universum zu studieren, und erforschen die Beschleunigungsmechanismen in den kosmischen Quellen hochenergetischer Teilchen.

Anders als die elektromagnetische Strahlung in den meisten anderen Wellenlängenbereichen können Teilchen im VHE-Bereich nicht thermisch erzeugt werden; nur im Urknall waren die Temperaturen kurzzeitig hoch genug. Man geht davon aus, dass stattdessen kollektive nicht-thermische Mechanismen für die Beschleunigung verantwortlich sind: Geladene Teilchen gewinnen zunehmend Energie, indem sie immer wieder in die Schockfront gigantischer Schockwellen von Supernovaexplosionen oder in die Plasmajets aus der unmittelbaren Umgebung Schwarzer Löcher in den Zentren aktiver Galaxien zurück diffundieren. Am Institut wird daran gearbeitet, die Vorgänge in den unterschiedlichen Typen von kosmischen Beschleunigern zu modellieren und theoretisch zu beschreiben.

Die auf der Erde beobachteten VHE-Gammastrahlen entstehen, wenn die beschleunigten geladenen Teilchen mit dem umgebenden Medium reagieren – entweder interstellares Gas oder Strahlungsfelder. Im Gegensatz zu den geladenen Teilchen breiten sich die Gammastrahlen geradlinig von der Quelle zum Beobachter aus und ermöglichen so, die Quellen abzubilden und die Vorgänge in der Beschleunigungsregion zu untersuchen.

Seit der Inbetriebnahme des ersten Teleskops 2002 hat H.E.S.S. mehr als 60 VHE-Gammaquellen entlang der Milchstraße wie Supernovaüberreste oder Pulsarwindnebel entdeckt, die meist auch bei anderen Wellenlängen sichtbar sind. Besonders interessant ist das Zentrum der Milchstraße mit dem supermassiven Schwarzen Loch, dessen Position mit einer starken Gammastrahlenquelle übereinstimmt. Außerhalb der Milchstraße erscheinen Galaxien mit aktiven Kernen und Starburstgalaxien als schwache Objekte. Kürzlich konnte H.E.S.S. in der Großen Magellanschen Wolke extrem leuchtstarke Quellen identifizieren. Um die Objekte zu verstehen, müssen alle Wellenlängenbereiche betrachtet werden. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Infrarotlicht, in dem sich die an der Erzeugung von Gammastrahlen beteiligte interstellare Materie zeigt.

Abteilung Hofmann      Abteilung Hinton

Theoretische Astrophysik (pdf)
H.E.S.S.: Kosmische Beschleuniger im Gammalicht (pdf)

Tscherenkow-Teleskope


Beobachtung von Gammastrahlen.

VHE-Gammastrahlen aus dem Weltraum – eine Billion mal energiereicher als sichtbares Licht – erreichen die Erdoberfläche nicht. Trotzdem können sie am Boden registriert werden, mit der Atmosphäre als Detektor. Beim Eintritt in die Atmosphäre stoßen die Gammaquanten mit Atomkernen zusammen, wobei Kaskaden geladener Sekundärteilchen, sogenannte Teilchenschauer entstehen. Diese emittieren extrem kurze bläuliche Lichtblitze (Tscherenkow-Licht), die am Boden eine Fläche von ~250 m Durchmesser beleuchten und in dunklen mondlosen Nächten mit großen Spiegelteleskopen und schnellen Lichtsensoren beobachtbar sind. Stereoskopische gleichzeitige Beobachtung mit mehreren Teleskopen ermöglicht es, die genaue Richtung zu ermitteln, aus der die Teilchenschauer kommen.

Das High Energy Stereoscopic System H.E.S.S. besteht aus fünf Teleskopen, von denen vier baugleich sind. Diese haben je 107 m2 Spiegelfläche und bilden die Ecken eines Quadrats mit 120 m Kantenlänge. Die Kamera – eine Matrix aus 960 Lichtsensoren – im Fokus jedes Spiegels hat ein großes Blickfeld. Damit ist H.E.S.S. besonders für Himmelsdurchmusterungen geeignet. H.E.S.S. konnte als erstes Instrument aufgelöste Bilder astrophysikalischer Gammaquellen aufnehmen. In der Mitte des Quadrats steht seit 2012 ein fünftes, riesiges Teleskop mit 614 m2 Spiegelfläche und einer 2048-Pixel-Kamera. Es erhöht die Empfindlichkeit des Systems stark und dehnt den beobachtbaren Energiebereich zu niedrigeren Energien aus.

Als nächstes, wesentlich leistungsstärkeres Observatorium ist CTA, Cherenkov Telescope Array, mit rund 100 Teleskopen in drei verschiedenen Größen an zwei Standorten im Norden bzw. Süden in Vorbereitung. CTA wird eine bessere Auflösung, höhere Empfindlichkeit, einen größeren Energiebereich und eine mehrere Quadratkilometer große Sammelfläche bei den höchsten Energien haben. Am MPIK werden neuartige Kameras für die verschiedenen Teleskoptypen entwickelt.

Abteilung Hofmann      Abteilung Hinton

H.E.S.S.: Kosmische Beschleuniger im Gammalicht (pdf)
Hochleistungskameras für die Tscherenkow-Teleskope von CTA (pdf)

Materie und Antimaterie – Suche nach dem entscheidenden Unterschied


Darstellung eines Teilchenschauers im LHCb-Detektor, der von einer Proton-Blei-Kollision im LHC ausgeht.

Es gibt keine Hinweise darauf, dass irgendwo im sichtbaren Universum nennenswerte Mengen von Antimaterie existieren. Weil im Urknall gleich viele Teilchen und Antiteilchen entstanden sein müssen, muss es einen grundlegenden Unterschied zwischen ihnen geben. Sonst hätten sie sich komplett vernichtet, und das Universum bestünde aus reiner Strahlung. Das LHCb-Experiment am Large Hadron Collider (LHC) des CERN sucht in hadronischen Reaktionen nach solchen Unterschieden. Bei Proton-Proton-Kollisionen entstehen – neben vielen anderen Teilchen – sogenannte B-Mesonen, schwere Teilchen, die aus je einem leichten Quark und schweren Antiquark bestehen; bei ihren Antiteilchen ist es umgekehrt. Messungen ihrer Zerfälle, die zu gleichen Anteilen von Materie und Antimaterie führen, zeigten, dass hierbei die Antimaterie schneller verschwindet. Physiker und Elektroniker am MPIK haben strahlungsfeste Elektronikkomponenten entwickelt, gebaut und getestet, die im LHCb-Detektor die Spuren geladener Teilchen aufzeichnen. Derzeit konzentrieren sich die Forscher auf die Auswertung der umfangreichen Daten aus der ersten Messperiode am LHC. Von der zweiten Messperiode bei verdoppelter Energie werden weitere Aufschlüsse erwartet.

Ultrakalte negative Ionen sollen Antiprotonen kühlen, mit denen kalter Antiwasserstoff hergestellt werden kann. Damit soll z. B. der freie Fall von Antimaterie direkt präzise gemessen werden. Weiterhin laufen Messungen des magnetischen Moments des Antiprotons sowie seines Ladung-zu-Masse-Verhältnisses im Vergleich zum Proton.

Abteilung Hofmann    Gruppe Kellerbauer

Das LHCb-Experiment: Elementarteilchenphysik an der Teraskala (pdf)
Präzisionsmessungen mit Antimaterie: Antiwasserstoff im Labor (pdf)

Das frühe Universum – Elementarteilchen bei höchsten Energien


Die ersten 3 Minuten des Alls.

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik sagt Materie-Antimaterie-Asymmetrie  voraus, jedoch um viele Größenordnungen zu gering, um den beobachteten Materieüberschuss im Universum zu erklären. Diese Symmetrieverletzung muss im frühen Universum passiert sein. Ein gut motiviertes Szenario, in dem Neutrinos die entscheidende Rolle spielen, ist die sogenannte Leptogenese, die von Theoretikern am MPIK untersucht wird und die eine der Motivationen für GERDA ist. Dabei spielt der Zerfall schwerer Neutrinos eine Schlüsselrolle. Das Modell erklärt auch die kleinen, aber von Null verschiedenen Massen der leichten Neutrinos und ihre Oszillationen sowie die Dunkle Materie.

Unmittelbar nach dem Urknall waren Quarks und Gluonen noch nicht in Elementarteilchen gebunden. Stattdessen bildete die extrem heiße Materie ein sogenanntes Quark-Gluon-Plasma. Auch in sehr energiereichen Stößen von Kernen schwerer Elemente wie z. B. Blei kann für extrem kurze Zeitspannen ein Quark-Gluon-Plasma von Atomkerngröße entstehen. Um dieses besser zu verstehen, werden mit LHCb die in energiereichen Proton-Blei-Stößen gebildeten Teilchen untersucht.

Abteilung Hofmann    Abteilung Lindner    Gruppe Rodejohann

Theoretische Astroteilchenphysik und Kosmologie (pdf)
Das LHCb-Experiment: Elementarteilchenphysik an der Teraskala (pdf)

Max-Planck-Gesellschaft

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