Das KASCADE Experiment

Das Karlsruher Luftschauer-Experiment KASCADE (Karsruhe Shower Core and Array Detektor) wurde so konzipiert, dass es neben der Bestimmung astrophysikalisch interessanter Größen, wie das Energiespektrum oder die Elementzusammensetzung der kosmischen Strahlung, auch zur Verbesserung der Kenntnis hadronischer Wechselwirkungen bei hohen Energien beitragen kann (z.B. Stöße von Proton- oder Eisen-Kernen mit Stickstoffkernen der Luft). Die Nachweisfläche des Gesamtexperiments wird durch die Abmessungen des Detektorfelds bestimmt. Auf einer von Fläche von 200x200 m² befinden sich schachbrettförmig angeordnet 252 Detektorstationen im Abstand von 13 m zueinander, d.h. die Messfläche der Detektoren selbst beträgt etwa 2% der Nachweisfläche des Experiments. Die Stationen beinhalten Szintillationsdetektoren zum Nachweis der Elektronen und

Abbildung 1. Ansicht des KASCADE-Experiments. Erkennbar sind neben den einzelnen Hütten des Detektorfelds auch der in der Mitte gelegene Zentraldetektor.

Photonen eines Luftschauers, zusätzlich beinhalten sie eine 20 cm starke Blei-Eisen Abschirmung unter der sich ein 4-fach segmentierter Plastikszintillationsdetektor als Myon-Detektor befindet. Die Abschirmung verhindert sehr effektiv ein Durchdringen der Elektronen und Photonen, so dass zum Großteil nur Myonen gemessen werden. Im Zentrum der Anlage befindet sich ein kompaktes 20x16 m² großes Detektorsystem bestehend aus einem 4000 t Eisen-TMS/TMP (Tetra-Methyl-Silan/Tetra-Methyl-Pentan) Sampling-Kalorimeter welches von 40000 Ionisationskammern ausgelesen wird, zwei Ebenen aus Vieldraht-Proportionalkammern, eine weitere Ebene aus Streamertube-Detektoren sowie einer Triggerebene aus Szintillationszählern. Das komplexe Detektorsystem dient zur Vermessung der Hadronen, Myonen und Elektronen im Kernbereich des Luftschauers. Nördlich dieses sogenannten Zentraldetektorsystems werden in einem 50 m langen Detektortunnel die Spuren von durchdringenden Myonen in drei horizontalen und zwei vertikalen Ebenen aus Streamertube-Detektoren gemessen.

Die Abbildung 1 zeigt eine Ansicht der gesamten KASCADE Detektoranordnung. Die zur Energie- und Massenbestimmung der Primärteilchen erforderliche Detektorauflösung wird durch vergleichsweise hohe Flächenbelegung und Qualität der Detektoren erreicht; Elektronen werden in 674 Detektoren (550 m²) und Myonen als schwerer Bruder des Elektrons in 648 Detektoren (826 m²) gezählt, zusätzlich wird die Richtung der Myonen auf einer Gesamtfläche von 280 m² vermessen und schließlich der Ort, die Richtung und Energie hochenergetischer Hadronen auf einer Fläche von 300 m² bestimmt.

Abbildung 2. Energieeinträge und Ankunftszeitverteilungen in den einzelnen Detektorstationen des Detektorfelds. Deutlich zu erkennen ist das Zentrum des Luftschauers mit sehr hohen Energieeinträgen die rasch nach außen hin abfallen.

Exemplarisch zeigt Abbildung 2 einen gemessenen hochenergetischen Schauer dessen Schauerzentrum (Durchstoßpunkt der Einfallsrichtung des Primärteilchens durch die Erdoberfläche) etwa 50 m nordöstlich des Zentraldetektorgebäudes liegt. Der linke Graph zeigt, als Säulendiagramm kenntlich gemacht, den Energieeintrag je Detektorstation, d.h. die hier dargestellten Einträge entsprechen etwa 400 Teilchen pro Quadratmeter. Das rechte Teilbild stellt das Ankunftszeitprofil des Luftschauers dar. Im äußersten Südosten treffen zuerst Teilchen ein entsprechend einer Ankunftszeit t=0 ns (1 nano Sekunde= 0.000000001 s). Im Nordwesten sprechen die Detektoren um 350 ns verzögert an. Der Luftschauer entwickelt sich schräg in der Atmosphäre und die Teilchenscheibe fällt geneigt auf das Detektorfeld.

Abbildung 3 zeigt den Kernbereich eines gemessenen Luftschauers, wie er im Hadronkalorimeter rekonstruiert wird. Die Energiedepositionen in den einzelnen Lagen werden genutzt um individuelle Hadronen aufzulösen und ihre Spur im Kalorimeter zu bestimmen. Die höchsten Energieeinträge sind im Kernbereich konzentriert und fallen stark nach außen ab.

Abbildung 3. Farblich kodierte Energieeinträge im Hadronkalorimeter. Der Kern des Luftschauers trifft den Detektor zentral. Aus den Energiedepositionen rekonstruierte Teilchenspuren sind als schwarze Linien gekennzeichnet.

Vermöge der komplexen Detektorstruktur sollte es also gelingen das Energiespektrum sowie die Elementzusammensetzung der kosmischen Strahlung zu bestimmen. Darüber hinaus werden Aufschlüsse über die beteiligten teilchen- und kernphysikalischen Prozesse erwartet, die an den Beschleunigeranlagen des DESY-Labors in Hamburg oder des CERN-Labors in der Schweiz wegen der extrem hohen Energie der Reaktionsprodukte nicht untersucht werden können. Um zu noch deutlich höheren Energien als 10¹⁶ eV zu gelangen (siehe den Beitrag zum Auger-Experiment), ist ein fundierte Kenntnis all dieser Prozesse notwendig. Das Experiment KASCADE wird daher mit zusätzlichen Szintillationsdetektoren eine Erweiterung erfahren und im Rahmen einer neuentstandenen Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Italien auf eine Fläche von 0.6 km² ausgedehnt. Da die Fläche somit um einen Faktor 15 ausgedehnt wird, erhielt das erweiterte Experiment den Namen KASCADE Grande.

Die beteiligten Institute sind

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