Szintillationszähler

Astroteilchenexperimente selbst ausprobieren

Kosmische Teilchen messen

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.

Kosmische Teilchen sichtbar machen

Die Nebelkammer war der erste Teilchendetektor, mit dem sich Spuren von Elementarteilchen sichtbar machen ließen. Im Netzwerk Teilchenwelt können Nebelkammern selbtgebaut werden und anschließend Teilchen sichtbar gemacht werden.

Die Nebelkammer

Eine Nebelkammer ermöglicht die Spuren kosmischen Teilchen sichtbar zu machen. Sowohl eine permanente als auch eine mit relativ leicht zugänglichen Materialien selbst hergestellt Nebelkammer ermöglichen die Beobachtung und Identifizierung verschiedener Teilchen. Die Nebelkammer war der erste Teilchendetektor, mit dem sich Spuren von Elementarteilchen sichtbar machen ließen. Nebelkammern ermöglichten viele Erkenntnisse über Elementarteilchen. Erst in den 50er Jahren wurden Nebelkammern nach und nach durch Blasenkammern ersetzt. Beispiele für wichtige Experimente mit Nebelkammern sind:

  • Untersuchung der Reichweite von Alpha-Strahlung (L. Meitner, 1926)
  • Entdeckung des Positrons (C. Anderson, 1932)
  • Nachweis der Paarerzeugung und Paarvernichtung von Elektronen und Positronen (P. Blackett und G. Ochialini, 1933)
  • Entdeckung des Myons (C. Anderson und S. Neddermeyer, 1937)

Innerhalb des Astroteilchen-Projekts des Netzwerks Teilchenwelt wurden Nebelkammern zum Selbstbau erprobt. Eine ausführliche Anleitung zum Versuchsaufbau, zur Versuchsdurchführung und zu möglichen Aufgaben ist hier abrufbar. Die Nebelkammern können auch bei unseren Standorten auch ausgeliehen werden.

Daten von kosmischen Teilchen auswerten

Datenauswertung von Zu Hause: Mit Cosmic@Web und Cosmics4School können nun Daten standortunabhängig analysiert werden.

Cosmic@Web

Sowohl in der Wissenschaft als auch an Schulen ist es nicht immer möglich, das Experiment, mit dem man forschen möchte, vor Ort zu haben. Vorallem bei Großexperimenten in der Astroteilchenphysik spielen verschiedenste Faktoren, wie z.B. Platzbedarf, jährliche Wetterbedingungen oder der Einfluss von Streulicht, eine entscheidende Rolle bei der Standortwahl. Für die Betrachtung und Erforschung der kosmischen Teilchen sind insbesondere Langzeitmessungen vonnöten, um eine geeignete Statistik zu erhalten und signifikante Aussagen ableiten zu können. Die gemessenen Daten von Großexperimenten werden daher über das Internet bereitgestellt und ermöglichen eine Analyse standortunabhängig. Nun wurde dies auch für Schülerexperimente realisiert: Von Zuhause bzw. vom Klassenzimmer aus können riesige Mengen an Daten verschiedenster Experimenten rund um die Messung kosmischer Teilchen mittels Cosmic@Web ausgewertet werden. Dieses Angebot wird von Gesamtmetall – Nachwuchssicherung/think ING unterstützt und erweitert das Angebotsspektrum im Netzwerk Teilchenwelt. Die Daten umfassen nicht nur die Messung der kosmischen Strahlung selbst. Es ist ebenfalls möglich, diese in Abhängigkeit anderer physikalischer Größen wie dem Ort, dem Luftdruck oder der Umgebungstemperatur zu untersuchen. Cosmic@Web bietet einen einfachen Zugriff auf große Datenmengen, die dauerhaft und gesammelt werden.

  • Aus welchen Richtungen erreichen kosmische Teilchen die Erde?
  • Welchen Einfluss hat das Erdmagnetfeld auf kosmische Teilchen?
  • Lässt sich ein Sonnensturm nachweisen?
  • Wie lange "leben" kosmische Teilchen?


Dies sind nur ein paar von vielen interessanten Fragen, die mit Hilfe von Cosmic@Web bearbeitet und beantwortet werden können. Alle zur Verfügung stehenden Experimente werden auf den folgenden Seiten vorgestellt. Hinweise zu mögliche Aufgabenstellungen sollen den Einstieg in die Thematik erleichtern. Grundsätzlich gilt jedoch: Ausprobieren! Eine Anleitung wie diese Daten analysiert werden und wie Abhängigkeiten dargestellt werden können, gibt es hier: How To.

Cosmic4School

Mit einem Angebot der Universität Bonn kann ebenfalls mit echten Daten gearbeitet werden. Auf der Website Cosmic4School geht es um Myonen. Hochenergetische kosmische Strahlung trifft auf die Erdatmosphäre und erzeugt Teilchenschauer. Diese Teilchenschauer bestehen aus instabilen, kurzlebigen Teilchen, die auf ihrem Weg zerfallen. Ein Teil der entstehenden Teilchen sind Myonen und man kann sie am Erdboden nachweisen. Es stellen sich verschiedene Fragen. Wie zum Beispiel: