Szintillationszähler

Wie misst man kosmische Teilchen?

Für Astroteilchenphysik-Angebote im Netzwerk Teilchenwelt wurden das Kamiokannen- und CosMO-Experiment weiterentwickelt, um geladene kosmische Teilchen zu untersuchen und das Unsichtbare selbst zu erforschen. Doch wie wird in der Astroteilchenphysik eigentlich experimentiert, wie werden kosmische Teilchen sichtbar gemacht? 

Ein Mädchen, das neben einem Laptop und dem Experimentieraufbau sitzt und sich dabei Notizen macht.
Auswertung der Daten aus Szintillationszähler-Experiment

Die Astroteilchenphysik ist die Schnittstelle von Astronomie, Kosmologie und Teilchenphysik. Sie versucht die Geheimnisse des Weltalls, dessen Entstehung und Entwicklung zu ergründen. Kosmische Teilchen sind dafür der Schlüssel, sie werden im Universum erzeugt und erreichen zum Beispiel die Erde. So wie ein Astronom Photonen im sichtbaren Licht beobachtet, untersuchen Astroteilchenphysiker Neutrinos, geladene Teilchen und hochenergetische Photonen, die nicht mit dem bloßen Auge sichtbar sind, um mehr über den Aufbau und die Prozesse bei der Sternentwicklung zu erfahren.

Für die Untersuchung kosmischer Teilchen benötigt man drei Komponenten, die auch essentieller Bestandteil eines Großexperiments sind: Detektor, Datenauslese und Computer. Auch wenn sie im Detail unterschiedlich sind, bestehen das CosMO- und das Kamiokannen-Experiment grundlegend aus diesen Komponenten.

Der Detektor

Teilnehmer bei Experimenten mit kosmischen TeilchenJugendliche experimentieren am Standort Zeuthen
Video: Experimente mit kosmischen Teilchen

Dringt ein geladenes kosmisches Teilchens durch das Detektormaterial, wird Licht erzeugt. Das CosMO-Experiment besteht aus Szintillationszählern, in denen das Material angeregt wird und dadurch ein Lichtblitz entsteht. Beim Kamiokannen-Experiment ist Wasser das Detektormaterial, gemessen wird das bläuliche Cherenkovlicht. Beide Lichtsignale sind jedoch so schwach, dass man sie im Hellen und mit dem menschlichen Auge nicht erkennen kann.

Daher muss der Detektor lichtdicht verbaut und an einen sogenannten Photomultiplier angeschlossen werden. Dieser registriert das schwache Lichtsignal, wandelt es in ein elektronisches Signal um und verstärkt es. Damit wird aus dem optischen Signal, welches das geladene kosmische Teilchen im Detektor erzeugt hat, ein messbares elektronisches Signal.

Die Datenauslese

Wichtig ist, wann genau das Teilchen den Detektor passierte. Dafür wird das gesendete Signal mit der Datenauslesekarte (DAQ-Karte) weiterverarbeitet und um Zeitinformationen ergänzt. Weiterhin können Signale mit zu geringer Intensität gefiltert und so Rausch- und Störsignale ausgeschlossen werden. Auch kann die DAQ-Karte Signale mehrerer Detektoren miteinander vergleichen. Verwendet man zum Beispiel zwei Detektoren, können Signale, die in beiden Detektoren zeitgleich gemessen werden, gefiltert werden. Stehen die Detektoren übereinander, werden nur Teilchen gemessen, die vertikal eintreffen. Richtungsabhängige Untersuchungen sind so möglich. 

Der Computer

Eine Gruppe Erwachsener sitzt an einem Tisch um einen Laptop. Daneben steht eine Kamiokanne, die aus einer Thermoskanne und einem zylinderförmigen Aufsatz besteht, der verkabelt ist.
Lehrkräfte mit Kamiokannen-Experiment

Etwa ein Teilchen pro Minute und Quadratzentimeter erreicht den Erdboden auf Meeresniveau. Für die Größe eines Szintillationszählers des CosMO-Experiments bedeutet dies, dass ungefähr sechs Teilchen pro Sekunde den Detektor passieren. Dementsprechend viele Signale werden registriert und eine Auswertung mit dem Computer ist unumgänglich. Zum einen können so die Messungen gespeichert werden, zum anderen wird die Auswertung großer Datenmengen schneller und einfacher. Unter Nutzung des Auswerteprogramms Muonic oder selbst programmierter Software kann die Rate unsichtbarer kosmischer Teilchen untersucht werden.

Wie bei allen Experimenten ist die wichtigste Komponente aber nicht elektronischer Natur – alles Messen und Auswerten ist bedeutungslos ohne die Interpretation der Daten. Daher bleibt unseren Jungforschern die wichtigste Aufgabe: Daten interpretieren, diskutieren und herausfinden, was sich dahinter verbirgt.