Das Pierre-Auger-Experiment

Aus den Tiefen des Universums erreichen uns Teilchen, deren Energien die mit künstlichen Beschleunigern erreichbaren um das Hundertmillionenfache übertreffen. Woher stammen diese Teilchen? Welcher Beschleunigungsmechanismus verbirgt sich hinter den gewaltigen Energien? Sind schwarze Löcher für ihre Entstehung verantwortlich, oder sind diese Partikel Hinweise auf neue Physik jenseits unseres Standardmodelles, d.h. unseres bisherigen physikalischen Verständnises? Dies sind Fragestellungen, denen sich das Pierre-Auger-Experiment widmet.

Das Bild zeigt eine Ansicht der Pampa Amarilla, dem Gelände, auf dem das Auger-Experiment zur Zeit errichtet wird. Im Hintergrund sind die Anden zu erkennen. Ein auftreffender Luftschauer ist schematisch angedeutet. In Wirklichkeit erreichen viele Milliarden hochenergetische Teilchen den Erdboden in den Luftschauern, die mit den Auger-Detektoren gemessen werden.

Errichtet wird das Auger-Experiment derzeit in der Provinz Mendoza in Argentinien. Unter maßgeblicher deutscher Beteiligung entsteht hier auf einer Fläche von etwa 3000 km² das weltgrößte Experiment zur Beobachtung der kosmischen Strahlung, es entspricht etwa der Größe des Saarlandes. Ein solches Großprojekt ist nur in internationaler Kollaboration realisierbar - mehr als 200 Wissenschaftler aus 19 Nationen bündeln ihre Kräfte für das gemeinsame Ziel.

Zur Beobachtung der höchstenergetischen Teilchen der kosmischen Strahlung macht man sich ihre Kollisionen mit den Atomkernen der Luft zunutze. Die Myriaden von Sekundärteilchen, die bei der Entwicklung dieser ausgedehnten Luftschauer entstehen, werden mit speziellen Meßgeräten auf dem Erdboden nachgewiesen. Durch den Luftschauer wird die Atmosphäre ein wenig zum Leuchten angeregt, dieses Fluoreszenzlicht kann mit eigens dafür konstruierten optischen Teleskopen beobachtet werden. Vom Nachweis mittels der atmosphärischen Kaskaden rührt auch der Name des Experimentes her: Der französische Physiker Pierre Auger war es, dem 1938 die Entdeckung der ausgedehnten Luftschauer gelang.

Bis zum Jahre 2004 werden 1600 Detektoren von jeweils 11,3 m² Grundfläche im Abstand von 1,5 km voneinander aufgestellt und mit Reinstwasser gefüllt. Die Lichtgeschwindigkeit ist in Wasser um etwa einen Faktor 1,3 kleiner als im Vakuum, daher können sich hochenergetische Teilchen, wie zum Beispiel Elektronen oder Myonen, schneller durch das Wasser bewegen als Licht. Ist dies der Fall, senden die Teilchen sogenannte Cherenkovstrahlung aus, Lichtwellen, die mit Photomultipliern registriert werden. So läßt sich für jeden Detektor die Anzahl der einfallenden Teilchen und durch Interpolation zwischen allen Detektoren die Gesamtzahl der hochenergetischen Teilchen bestimmen. Dies ist eine wichtige Größe, die Rückschlüsse auf die Natur des ursprünglichen Teilchens zuläßt.

In Ergänzung zu den Wasserdetektoren werden 30 Teleskope von vier verschiedenen Beobachtungsstationen die darüberliegende Atmosphäre auf Fluoreszenzlicht hin überwachen. Jedes Teleskop hat eine Spiegelfläche von etwa 12 m² und ein Gesichtsfeld von 30^o x 30^o. Damit kann die komplette Entwicklung eines Luftschauers verfolgt werden, d.h. die Entwicklung der Sekundärteilchenanzahl beim Durchdringen der Luft.

Ein Fluoreszenzteleskop bei der Montage in Karlsruhe. Die Spiegelfläche ist in einzelne Segmente unterteilt. In der Prototypphase werden zwei unterschiedliche Spiegelanfertigungen getestet.

Die Kombination beider Detektorsysteme wird so die Bestimmung von Einfallsrichtung, Energie und Typ des kosmischen Teilchens erlauben, das den Luftschauer ausgelöst hat. Parallel zu den Messungen werden in umfangreichen Computerrechnungen die Entwicklung von Luftschauern sowie die Meßsignale der Detektoren nachvollzogen. Diese Simulationen sind für die korrekte Interpretation der gemessenen Werte unerläßlich. Um der Datenflut Herr zu werden, die sich aufgrund der riesigen Teilchenzahlen bei den Berechnungen ergibt, entwickeln die Wissenschaftler neue Methoden zur Analyse.

Das Auger-Experiment beginnt den Meßbetrieb im Jahre 2001 mit zwei Fluoreszenzteleskopen und rund 40 Wasserdetektoren. Die Komplettierung des Detektorsystems wird für das Jahr 2004 angestrebt, und die Gesamtlaufzeit ist auf 15 Jahre veranschlagt. Mit Spannung darf erwartet werden, ob es gelingen wird, das Geheimnis der höchstenergetischen kosmischen Teilchen zu lösen.

Weitere Informationen zum Auger-Experiment

Beteiligte Institute in Deutschland (Schwerpunkte: Konstruktion und Elektronik der Fluoreszenzteleskope, Simulationsrechnungen)