Das GRAAL-Experiment:
Gamma-Ray Astronomy At ALmeria

Abb. 1 Im GRAAL-Experiment wird atmosphärisches Cherenkov-Licht durch ein Feld von Solarspiegeln in einen zentralen Detektor auf einem Turm konzentriert.

Überblick

Zum Nachweis von Gammastrahlung mit Energien von 30 GeV bis zu einigen TeV ist die Messung von dem "Cherenkov"-Licht, das beim Eindringen des hochenergetischen Photons in die Atmospäre in einem "Luftschauer" ausgesandt wird, die derzeitig effektivste Methode. Der schwache Cherenkov-Blitz wird mit Spiegeln auf einen zentralen Detektor konzentriert. Die Winkelausdehnung der mit Luftschauern verbundenen Cherenkov-Leuchterscheinung entpricht in etwa der der Sonnenscheibe. Die Technologie zur Konstruktion großer Solarspiegel ist seit den sechziger Jahren bis zu den neuesten Projekten in der Cherenkovastronomie genutzt worden. Das GRAAL-Projekt geht noch einen Schritt weiter. Es nutzt einen Teil der enormen Spiegelfläche (ca. 12 000 m²) des "CESA-1" Heliostaten (Sonnenspiegel) Feldes, das von der spanischen CIEMAT an der "Plataforma Solar de Almeria" (PSA) betrieben wird. Die PSA ist ein Forschungszentrum in der Wüste von Tabernas ca. 40 km entfernt von der südspanischen Stadt Almeria, das Technologien zur solar-thermischen Energieerzeugung entwickelt. Das Grundprinzip von GRAAL ist in Abb. 1 skizziert. Die Spiegel konzentrieren das Licht auf sogenannte "Winston Cones", die sich in einer von GRAAL entwickelten Plattform in einem Zentralturm nördlich des Spiegelfeldes befinden. Die Ankunftsrichtung des kosmischen Photons wird durch eine genau Messung der Ankunftszeiten des von unterschiedlichen Heliostaten reflektierten Cherenkovblitzes bestimmt. Dieses Prinzip ist grundverschieden von dem der meisten anderen Cherenkovexperimente (z.B. HEGRA,HESS,MAGIC) verwendeten. Anstatt ein Bild am Himmel von dem Lufschauer aufzunehmen, wie diese Experimente, wird die Ankunftszeit und Intensität des Cherenkovlichts an vielen Punkten am Boden registriert. Ein wichtiges Argument GRAAL durchzuführen war die große Kostenersparnis durch die Nutzung eines bereits vorhandenen Spiegelfeldes bei Nacht, wenn es nicht solar genutzt werden kann. Dies erfordert einen nicht zu aufwändigen Detektoraufbau im Zentralturm und die Möglichkeit eines Betriebs unter "remote control". Zusammengefasst sind die Ziele von GRAAL:

• Nachweis von Gammstrahlung im Energiebereich zwischen 200 GeV und 1 TeV
• Systematische Untersuchung dieser alternative Methode zum Nachweis hochenergetischer Gammastrahlung: Technische Machbarkeit unter den genannten Voraussetzungen und prinzipielles Potential der Methode.

Abb.2 Ansicht der lichtsammelnden "Winston-Cones" in 70 m Höhe auf dem Zentralturm. Das Spiegelfeld ist als Reflektion im oberen Konus sichtbar.

Status des Experiments

Die GRAAL Kollaboration bildete sich 1998 aus acht Physikern und Ingenieuren des Max-Planck-Instituts für Physik, den Universitäten Madrid, Almeria, Sevilla und der Plataforma Solar. GRAAL nimmt seit August 1999 bis heute in allen klaren, mondlosen Nächten Daten. Dabei nutzt GRAAL die größte Spiegelfläche (2 500 m²) und erreicht in der Aufzeichnung der Cherenkovpulse die höchste Zeitauflösung (500 psec pro Kanal bei 300 MHz effektiver Bandbreite) aller internationalen lichtsammelnden astrophysikalischen Experimente. Kein gegenwärtig projektiertes Experiment plant diese "Rekorde" zu brechen. Es wurde insgesamt weniger als 10 % der möglichen Beobachtungszeit durch technische Probleme verloren. Seit dem Sommer 2000 läuft das Experiment im wesentlichen unter "remote control". Ein verantwortlicher Physiker startet das Experiment bei Sonnenuntergang und wird während der Nacht per handy geweckt, wenn ein wichtiger kontrollierter Parametern von der Norm abweicht, oder die Internet-Verbindung zwischen dem Experiment und dem Institut an ihrem Wohnort abreißt.

Es wurde nach Gammastrahlung von einer Reihe von potentiellen Quellen gesucht.
Die Ergebnisse für die Quellen Crab-Nebel, 3C454.3, 3EG1835+59 wurden veröffentlicht. Dabei konnte der Crab-Nebel mit einer Signifikanz von 4,5 Standardabweichungen nachgewiesen werden, während keine signifikantes Signal von den anderen Quellen gefunden wurde.

Abb.3 Ansicht des CESA-1 Spiegelfelds in der Konfiguration für GRAAL . Mit einer Gesamtspiegelfläche von etwa 2500 m² ist GRAAL die international größte lichtsammelnde astrophysikalische Anlage.

Bisherige Lehren aus GRAAL

Die Auswertung der Daten und der detaillierte Vergleich mit Monte-Carlo Simulationen führte zu dem Verständnis eines fundamentalen Problems bei der Nutzung von Heliostatenfelder für die Gamma-Astronomie. Das Gesichsfeld ist aus unvermeidlichen technischen Gründen auf einen relativ kleinen Winkel eingeschränkt. Während der daraus resultierende Lichtverlust durch die enorme Spiegelfläche ausgeglichen werden kann, führt die Einschränkung zu einem weitgehenden Verlust der Unterscheidungsmerkmale von Gamma-Photon und Proton induzierten Luftschauern (die letzeren bilden den Hauptuntergrund in allen bodengebunden Experimenten). Dies betrifft sowohl die Schauereigenschaften als auch die rekonstruierte Richtung. Solange eine effektive Trennung nicht möglich ist, bleibt die Sensitivität von Heliostatenfeldern für den Gammanachweis gering. Da die Gründe für diesen Sachverhalt fundamentaler Natur sind, betrifft dieses Problem alle derartigen Experimente, und es ist ungewiss ob es durch im Aufwand vertretbare Maßnahmen gelöst werden kann.

Während also die technische Machbarkeit einer kostengünstigen Nutzung eines Heliostatenfeldes für die Cherenkovastronmie überzeugend demonstriert wurde, scheint die Konkurrenzfähigkeit der Heliostatenfeld-Methode gegenüber der traditionellen "Abbildungsmethode" aus jetzt gut verstandenen, prinzipiellen Gründen zweifelhaft.

Weiterführende Links mit detaillierter Darstellung der hier skizzierten Ergebnisse