Einfžhrung i n die Astrophysik Teil 1

192 KAPITEL 3. KERNPHYSIK: ALTERSBESTIMMUNG
3.3.3 Die kosmische Strahlung
Entdeckung und Eigenschaften
Die kosmische Strahlung (Höhenstrahlung) wurde zufällig von Victor Hess entdeckt. Bei der geplanten
Verbesserung seines Elektoskops fand er eine unbekannte Entladungsquelle, welche er in den Jahren
1911 bis 1913 mit Hilfe von Ballonflügen als Höhenstrahlung kosmischer Herkunft identifizierte. Diese
nimmt zu mit der Höhe über dem Boden, da sie von der Lufthülle abgeschwächt wird. Gesucht hatte er
ursprünglich radioktive Strahlung aus dem Innern der Erde, diese hätte mit der Höhe über dem Boden
abnehmen müßen.
Zunächst diente die kosmische Strahlung den Kernphysikern als Gratisquelle für ihre Streuexperiment
und 1932 wurde das Positron von Anderson (und 1932 von Blackett und Occhialini) damit entdeckt.
Erst als grosse Beschleuniger (ab 1955) verfügbar waren, wurde sie um ihrer selbst willen, also
astrophysikalisch genauer untersucht. Erst 1961 wurde die leptonische Komponente (von Earl und unabhängig,
von Meyer und Vogt) entdeckt. Wichtig dabei ist, daß Elektronen und Positronen nicht gleich
häufig vorkommen: der numerischer Anteil der Positronen beträgt nur etwa 10% der Elektronen (und
diese selbst energetisch nur etwa 10% der Protonen).
Allerdings ist man für höchste Energien (ab 10 TeV) auch heute noch auf sie angewiesen. Der Teilchenfluß
ist mit
2 Protonen pro cm 2 und Sekunde (bei 1 GeV)
allerdings bereits sehr klein und er fällt ab, zunächst wie γ −2.5 und dann wie γ −3.2 für γ > 10 6 . Man
benötigt deshalb gigantische Arrays (viele Quadratkilometer Fläche) von Koinzidenz Detektoren. Die
höchsten damit bisher nachgewiesenen Energien belaufen sich auf ein Zetta Elektronen Volt, (10 21 eV)
und die schwersten Kerne haben etwa Z = 100.
Spektrum
Die kosmische Strahlung hat drei verschiedene Komponenten:
1. Baryonen
Protonen, 10% α-Teilchen und Kerne mit etwa solarer Häufigkeit (etwa ein Promille),
2. Leptonen
1. Elektronen, mit einer Energiedichte von 10% der Protonen,
2. Positronen, numerischer Anteil etwa 10% der Elektronen,
3. Photonen
mit einer Energiedichte von 1% der Positronen.
Die Energie eines Teilchens ist
Eγ = (γ − 1)mpc 2
Damit läßt sich die Spektralintensität IE(θ) der kosmische Strahlung umschreiben in Iγ(θ). Die kosmische
Strahlung ist extrem isotrop, und es gilt (für alle Winkel θ)
Iγ(θ) − Iγ(0)
Iγ(θ) + Iγ(0)
< 10−4
Für relativistische Teilchen, γ ≫ 1, ist der Zusammenhang zwischen Teilchenstrom und Teilchendichte
4πJγ = nγc.