Großfahndung nach mysteriösen Weltraumreisenden

Die Geschichte des Nachweises der kosmischen Strahlung reicht zurück bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts. Die ersten Experimente fanden Teilchen vergleichsweise geringer Energie, mit dem Fortschritt der Detektortechnik gelang der Nachweis bei immer höheren Energien.

Mittlerweile ist es bekannt, dass uns aus den Tiefen des Universums Teilchen erreichen, deren Energien die mit künstlichen Beschleunigern erreichbaren um das Hundertmillionenfache übertreffen. Dennoch bleiben bis zum heuten Tage viele Fragen nach dem Ursprung der Strahlung und ihrer Ausbreitung ungelöst.

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? Dies sind Fragestellungen, denen sich das Pierre-Auger-Observatorium widmet.

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. Das 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 Meßdetektoren auf dem Erdboden nachgewiesen. Aber nicht nur Teilchen werden erzeugt – durch den Luftschauer wird die Atmosphäre ein wenig zum Leuchten angeregt, und dieses Fluoreszenzlicht kann mit eigens dafür konstruierten optischen Teleskopen beobachtet werden. Vom Nachweis mittels der atmosphärischen Kaskaden rührt auch der Name des Observatoriums her: Der französische Physiker Pierre Auger (1899-1993) war es, dem 1938 die Entdeckung der ausgedehnten Luftschauer gelang.

Bis zum Jahre 2004 werden 1600 Detektoren von jeweils 11.3 m2 x 1.2 m 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 schneller durch das Wasser bewegen als Licht. Ist dies der Fall, senden die Teilchen sogenannte Cherenkovstrahlung aus, Lichtwellen, die mit Photomultipliern registriert werden. In Luftschauern handelt es sich bei diesen Teilchen hauptsächlich um Elektronen und Myonen. So läßt sich für jeden Detektor die Anzahl der einfallenden Teilchen und durch Interpolation zwischen allen Detektoren ihre Gesamtzahl 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 30o x 30o. Damit kann die komplette Entwicklung eines Luftschauers verfolgt werden, d.h. das Anwachsen der Sekundärteilchenanzahl beim Eindringen in die Luft.

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.