Es waren nur etwa 20 Teilchen – aber die hatten es in sich. Denn ihre Bewegungsenergie, konzentriert in einem einzigen Atomkern, war größer als die eines Tennisballs mit einer Geschwindigkeit von über 100 Kilometer pro Stunde! Selbst der leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger der Erde, der nächstes Jahr seinen Betrieb aufnehmende Large Hadron Collider bei Genf, kann nur ein Hundertmillionstel davon schaffen. Doch welche brachialen Kräfte wüten im All, um Atomkerne derart zu beschleunigen und über gewaltige Distanzen zu transportieren?
„Die Daten reichen bei Weitem noch nicht aus, um all die Fragen zu den Teilchen zu beantworten, die die Erde mit solchen enormen Energien treffen”, sagt der Physik-Nobelpreisträger James Cronin von der University of Chicago. An Spekulationen zum Ursprung der höchstenergetischen Kosmischen Strahlung mangelt es freilich nicht. „In den letzten Jahren wurde im Schnitt ein theoretischer Forschungsartikel pro Woche veröffentlicht”, resümiert Cronin. „Es ist nötig, dass die Experimentalphysiker reagieren.”
Und sie haben es getan. Zusammen mit Alan Watson von der britischen University of Leeds hat Cronin den Bau des größten astronomischen Observatoriums der Welt initiiert. Das internationale Auger-Observatorium wird zur Zeit in Argentinien fertig gebaut, rund 1000 Kilometer westlich von Buenos Aires (bild der wissenschaft 2/2006, „Partikeljagd in der Pampa”). Benannt ist es nach dem französischen Physiker Pierre Auger, der 1938 die ersten hochenergetischen Teilchen der Kosmischen Strahlung nachwies. Es besitzt zwei Detektorsysteme. Das eine besteht aus 12 000-Liter-Wassertanks – insgesamt 1600, zwei Drittel davon messen bereits –, die über 3000 Quadratkilometer, eine Fläche von der Größe des Saarlands, verteilt sind. Sie fangen Sekundärteilchen ein, die entstehen, wenn die Partikel der Kosmischen Strahlung – die selbst nicht bis zum Erdboden gelangen – mit Atomen in der Erdatmosphäre kollidieren und eine sich lawinenartig verstärkende Kaskade von Reaktionsprodukten erzeugen. Bei diesen so genannten Teilchenschauern werden außerdem kurze, schwache Ultraviolett-Blitze in der Luft freigesetzt, die das zweite Detektorsystem des Auger-Observatoriums registriert: insgesamt 24 hochempfindliche Fluoreszenz-Teleskope, von denen gegenwärtig 18 in Betrieb sind.
Das gewaltige Ausmaß der Anlage ist nötig, um genug der höchstenergetischen Partikel zu studieren – denn sie sind so selten, dass sich im Schnitt nur eines pro Jahrhundert auf einer Fläche von einem Quadratkilometer nachweisen lässt. Auger dürfte also etwa 30 pro Jahr aufspüren – fast doppelt so viele wie die 17, die alle früheren Anlagen seit den Sechzigerjahren zusammen gefunden haben. Wenn das Geld bewilligt wird, beginnt außerdem 2008 der Bau der Auger-Nord-Anlage bei Lamar in Colorado, die zusammen mit ihrem argentinischen Pendant den gesamten Himmel überwachen soll.
Konkurrenz bekommt Auger durch das Telescope Array, das gegenwärtig bei Black Rock Mesa im US-Bundesstaat Utah entsteht. Die größtenteils von Japan finanzierte und seit 2004 im Bau befindliche Anlage besteht aus drei Gruppen von jeweils zwölf 3,3-Meter-Spiegel-Teleskopen sowie 576 Szintillationsdetektoren auf 900 Quadratkilometer Fläche.
1020 Elektronenvolt hatten die energiereichsten Partikel, die im Lauf der letzten 40 Jahre in der Kosmischen Strahlung aufgespürt wurden. Zum Vergleich: 0,03 Elektronenvolt beträgt die Bewegungsenergie von Luftmolekülen bei Raumtemperatur. 1020 Elektronenvolt – das ist eine makroskopische Größenordnung bei einem mikroskopischen Objekt! So etwas dürfte es nach konservativen physikalischen Abschätzungen eigentlich nicht geben.
Warum nicht? Weil man keine überzeugenden Quellen in unserer kosmischen Nachbarschaft kennt, und weil die Teilchen aus allen Richtungen mit ungefähr der gleichen Häufigkeit zu kommen scheinen, was für sehr weit entfernte Quellen spricht. Hierzu haben Astrophysiker zwar diverse Kandidaten in petto – doch aus so großen Distanzen dürften die Teilchen gar nicht mit den gemessenen 1020 Elektronenvolt zu uns gelangen. Das verbietet eine physikalische Grenze, im Fachjargon „GZK cutoff” genannt.
GZK ist die Abkürzung der Nachna-
men dreier Physiker, die 1966 diese Grenze berechnet hatten: Kenneth Greisen in den USA sowie unabhängig von ihm Georgi T. Zatsepin und Vadim A. Kuz’min aus der Sowjetunion. Weil Protonen mit Energien über 5 . 1019 Elektronenvolt sehr effektiv mit den Photonen der Kosmischen Hintergrundstrahlung wechselwirken, dem Restleuchten des Urknalls, verlieren sie Energie. Denn die Kosmische Hintergrundstrahlung ist zwar niederenergetisch (in unserem Bezugssystem eine Mikrowellenstrahlung mit nur 0,0007 Elektronenvolt), aber auf die fast lichtschnellen kosmischen Protonen wirkt sie wie Gammastrahlung. Dadurch wird jedes dieser Protonen angeregt – Physiker sprechen von einer Delta(1232)-Resonanz – und ein neutrales Pion erzeugt. Dieser Prozess führt 20 Prozent der Protonen-Energie ab und kann sich mehrfach wiederholen. Möglich ist auch eine Umwandlung von einem Proton in ein Neutron unter Abstrahlung eines geladenen Pions, wobei das Neutron sich später wieder in ein energieärmeres Proton umwandelt.
Die Energieverluste sind der Grund für die GZK-Grenze: Ein Proton mit 8 . 1019 Elektronenvolt hat nur eine Chance von 10 Prozent, weiter als 100 Megaparsec (326 Millionen Lichtjahre) zu kommen, und eines mit 3 . 1020 Elektronenvolt – der bisherige Rekordhalter – gar nur eine von 0,1 Prozent, mehr als 50 Megaparsec zurückzulegen. Das bedeutet, dass die Hälfte der Teilchen mit 1020 Elektronenvolt aus einem Gebiet im Umkreis von 20 Megaparsec stammen sollte. Wären die Partikel nicht Protonen, sondern Eisen-Kerne, dann läge ihre GZK-Grenze etwas weiter entfernt. Doch auch so sind in dieser – nach kosmischen Maßstäben beurteilt – relativ geringen Entfernung keine Quellen bekannt. Da die Partikel der Kosmischen Strahlung aber aus allen Richtungen mit der gleichen Häufigkeit eintreffen, stammen sie wahrscheinlich aus extrem großen Distanzen.
Wenn die GZK-Grenze wirklich von der Kosmischen Strahlung überschritten wird – was das Auger-Observatorium in wenigen Jahren verraten wird –, dürften revolutionäre Erkenntnisse bevorstehen:
• Entweder stammen die Teilchen nicht aus kosmischen Entfernungen, sondern werden in der Nähe erzeugt, etwa im galaktischen Halo, der die Milchstraßenscheibe kugelförmig umschließt. Dort könnten bislang unbekannte Teilchen zerfallen, die vielleicht noch aus der Zeit des Urknalls stammen. Dann müsste das Standardmodell der Elementarteilchenphysik erweitert werden. Aber dagegen spricht die Isotropie der Strahlung.
• Oder die GZK-Grenze wird durch einen unbekannten physikalischen Effekt umgangen – vielleicht durch eine Verletzung der so genannten Lorentz-Invarianz, eines Grundpfeilers der Speziellen Relativitätstheorie, was letztlich das Dogma einer stets gleich bleibenden Vakuum-Lichtgeschwindigkeit zu Fall bringen würde. Aber dann wäre weiterhin unklar, wie die hohe Bewegungsenergie der Teilchen zustande kommt. Kandidaten dafür sind beispielsweise die supermassereichen Schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxien. Wenn sie Materie verschlingen, werden dabei Teilchen davon geschleudert. Weil das „große Fressen” aber überwiegend in der Frühzeit des Alls stattfand, gibt es nur wenige dieser aktiven Galaxien in relativer Nähe – innerhalb der GZK-Grenze. Dasselbe gilt für andere Beschleunigungsmechanismen: Kollisionen von Galaxien, zerfallende topologische Defekte (Überbleibsel vom Urknall in riesigen Entfernungen), Supernovae und Sternwinde in Starburst-Galaxien, Gammastrahlen-Ausbrüche sowie hochenergetische Teilchenströme (Jets), die in intergalaktische Gaswolken schießen.
• Aber vielleicht sind die kosmischen Teilchenschleudern doch in der Nähe und wenig exotisch – nämlich Neutronensterne. Wolfgang Kundt von der Universität Bonn glaubt, dass diese rasch rotierenden Sternleichen aufgrund ihrer starken Magnetfelder Partikeln, die aus der Umgebung gravitativ angezogen werden, die erforderliche Energie verleihen können. Aber warum kommt die Kosmische Strahlung dann gleichmäßig aus allen Richtungen zur Erde? „Die größere Häufigkeit der Quellen in der Milchstraßenebene wird durch ihre geringere Sichtbarkeit kompensiert”, mutmaßt Kundt und macht dafür eine ungleichmäßige Abstrahlungsrichtung der Partikel von Materiescheiben um die Neutronensterne verantwortlich.
Weitere Aufklärung über die Natur der Kosmischen Strahlung erhoffen sich die Wissenschaftler durch die Messung von Radiowellen. Sie entstehen ebenfalls in den Luftschauern. Und sie lassen sich im Prinzip auch nachweisen – sie verraten die Herkunft der Partikel sogar auf weniger als ein Grad genau, wie Experimente am Forschungszentrum Karlsruhe letztes Jahr gezeigt haben. Hartmut Gemmeke, einer der beteiligten Wissenschaftler, der auch für Augers Fluoreszenz-Teleskope mitverantwortlich ist, sieht hier eine große Chance: „Mit Radioantennen im Auger-Observatorium hätten wir ein weiteres Auge.” Die Antennen müssten im Abstand von etwa 500 Meter verteilt werden und könnten wie die Wassertanks rund um die Uhr messen. Allerdings ist noch unklar, wie die Radio-Intensität von der Energie und dem Einfallswinkel eines Schauers abhängt. Hier sind zunächst einmal die Theoretiker gefragt.
Eine weitere Informationsquelle versprechen Neutrino-Teleskope wie Ice-CUBE, das zur Zeit in der Antarktis errichtet wird. Denn manche Erklärungsversuche der Kosmischen Strahlung sagen hochenergetische Neutrinos als Zerfallsprodukte voraus, andere dagegen fordern keine dieser mit Materie kaum wechselwirkenden Geisterteilchen. Rüdiger Vaas ■
Ohne Titel
„Bei allem, was wir über astrophysikalische Objekte wissen, können wir immer noch nicht herausfinden, wie diese Partikel auf diese Energien beschleunigt werden”, bringt James Cronin das Rätsel der höchstenergetischen Kosmischen Strahlung auf den Punkt. Physiker haben sich zwar eine Reihe von Erklärungen und Quellen einfallen lassen, doch alle sind spekulativ:
• Starke Magnetfelder: Möglicherweise stammen die Partikel aus den wenigen aktiven Galaxien innerhalb der GZK-Grenze, und ihre Isotropie kommt daher, dass sie von intergalaktischen Magnetfeldern abgelenkt werden – die dann aber tausendmal stärker sein müssten als bislang angenommen.
• Eisen-Atomkerne: Vielleicht werden sie in galaktischen Winden oder bei stark magnetischen Neutronensternen beschleunigt.
• Unbekannte positive Hadronen (schwere Kernteilchen): zum Beispiel Strangelets (stabile massereiche supersymmetrische So-Teilchen, die aus je einem up-, down- und strange-Quark und einem Gluino zusammengesetzt sind) oder neutrale gebundene Zustände von leichten Gluinos mit Quarks und Gluonen. Sie sind schwerer als normale Atomkerne und daher unempfindlicher gegen die GZK-Grenze. Weitere Kandidaten sind die X-Bosonen aus der Frühzeit des Universums, wenn sie langlebig wären oder in topologischen Defekten „gespeichert” würden, und ad hoc postulierte Uhecrons (von „Ultra-high energy cosmic radiation”), die der starken Wechselwirkung unterlägen und eine Masse von 1,5 Gigaelektronenvolt haben müssten.
• Zo-Bosonen: Die bekannten Vermittler der Schwachen Kernkraft könnten bei der Kollision von hochenergetischen Neutrinos mit Relikt-Neutrinos vom Urknall im äußeren galaktischen Halo entstehen und zu Protonen und Antiprotonen der Kosmischen Strahlung zerfallen. Dieser Zerfall würde auch Neutrinos und Photonen erzeugen, die im Prinzip nachweisbar sind. Woher die hypothetischen hochenergetischen Neutrinos (mit 1022 Elektronenvolt) stammen sollen, ist aber unklar.
• Kandidaten für die ominöse Dunkle Materie: Sie müssten schon im frühen Universum entstanden sein und lange Zerfallszeiten haben, sodass auch heute noch viele von ihnen im Halo der Milchstraße herumschwirren. Diskutiert werden beispielsweise Wimpzillas oder Mischungen von Axionen mit Photonen.
• Magnetische Monopole: Mit Massen von unter 1019 Elektronenvolt könnten sich diese hypothetischen, aus der Frühzeit des Universums stammenden Partikel auch in der Milchstraße aufhalten und in galaktischen Magnetfeldern beschleunigt werden.
• Topologische Defekte, die sich kurz nach dem Urknall beim Abkühlen des Universums gebildet haben, müssten entweder durch Vibrationen oder beim Zerfall die Partikel der Kosmischen Strahlung freisetzen (oder Vorläufer-Teilchen, etwa X-Bosonen, die dann weiter zerfallen). Als Defekte kommen Magnetische Monopole und Kosmische Strings in Frage – oder eine Kombination von beiden, augenzwinkernd „necklaces” (Halsketten) genannt.
• Die unspektakulärste Möglichkeit: Die 1020-Elektronenvolt-Partikel existieren gar nicht, sondern sind Messfehler – oder sie haben aus rein statistischen Gründen die GZK-Grenze überwunden. Dann wird das auf die energiereichste Kosmische Strahlung spezialisierte Auger-Observatorium in den nächsten Jahren nur ganz wenige dieser Teilchen finden.
„Noch gibt es keinen Hinweis für die Richtigkeit der exotischen Szenarien – aber auch keine Widerlegung”, sagt Ralph Engel vom Forschungszentrum Karlsruhe. „Allerdings: Bei den Zerfallsmodellen sollte viel Gammastrahlung entstehen, die bislang nicht gemessen wurde.” Fest steht: Alle Hypothesen haben ihre Probleme: „Noch gibt es kein befriedigendes Modell, überall sind Haken und Ösen. Aber viele Modelle lassen sich durch das Auger-Observatorium widerlegen. Wir werden in den nächsten Jahren also auf jeden Fall wichtige Einsichten gewinnen”, ist Ralph Engel zuversichtlich. Und: „Wenn zu den höchstenergetischen Teilchen Eisen-Atomkerne zählen, dann sind die Zerfallsszenarien vom Tisch.” Denn Eisen kann aus keinem der hypothetischen Zerfälle entstehen. Der Astrophysiker ist optimistisch: „Nach einigen Jahren Messzeit mit dem Auger-Observatorium werden wir wissen, ob die Kosmische Strahlung Eisen-Kerne enthält oder nicht, denn Protonen-Schauer entwickeln sich etwas tiefer in der Erdatmosphäre als die von schwereren Eisen-Kernen.”
