Die Cherenkov-Strahlung und ihr Einklang in der Astroteilchenphysik

Hintergrund

Die Cherenkov-Strahlung ist im Grunde die bläuliche Leuchterscheinung, die entsteht, wenn geladene Teilchen durch ein typischerweise schwaches oder nichtleitendes Medium fliegen und dabei schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Medium sind. Es ist also das optische Gegenstück zum Ultraschallknall. Im nächsten Abschnitt finden sich in paar Bilder dazu.

Der Entdecker dieser Art von Strahlung ist passenderweise Pawel Alexejewitsch Tscherenkow (oder auch Cherenkov). In Russland wird sie auch noch nach ihrem Mitendecker Wawilow genannt: Wawilov-Cherenkov-Strahlung. Tscherenkow, Igor J. Tamm und Ilja M. Frank gewannen 1958 den Physik-Nobelpreis für die Entdeckung des „Tscherenkow-Effekts“.

Im Normalfall interferieren die Wellen, die von den geladenen Teilchen im schlechtleitenden Medium erzeugt werden, sie polarisieren der Flugbahn der geladenen Teilchen benachbarte Atome, destruktiv und neutralisieren sich gegenseitig. Doch wenn das Teilchen eine höhere Geschwindigkeit besitzt, als das Licht, das in dem Medium verfährt, aufweist, dann ergibt sich ähnlich dem Ultraschallknall-Phänomen ein kegelförmiges Wellenmuster, welches die Cherenkov-Strahlung grob gesagt ergibt.

Wir verwenden dieses Phänomen für Beobachtungen in der Astroteilchenphysik, aber dazu kommen wir später noch. Wer sich für die Mathematik hinter dem Phänomen interessiert, der interessiert sich für den Weblink da unten.

Galerie

Massives bläuliches Licht als Cherenkov-Strahlung.
Cherenkov-Strahlung als blasses Blau in einem Reaktor.

Anwendung

Wir nutzen die Cherenkov-Strahlung als eine Art Werkzeug um weitere Effekte zu beobachten. Aber direkt mit der Strahlung können wir noch nichts anfangen. Damit können wir nur andere Dinge sichtbar machen. Mit Teleskopen, die genau darauf geeicht sind, nach dieser Strahlung, bzw. Licht zu suchen. Und das gehört zur Astroteilchenphysik.

Astroteilchenphysik

Die Astroteilchenphysik, eine noch junge Disziplin, welche sich aus der Teilchenphysik zusammensetzt, bloß angewendet in der Astrophysik. Zu der Thematik und Gegenstand aktuellster intensiver Forschung in der Astroteilchenphysik gehören: Neutrinos, Kosmische Strahlung, Gammaastronomie, Gravitationswellen, Dunkle Materie und Dunkle Energie/Vakuumenergie und einige andere Themen. Eng verwandt mit der Astroteilchenphysik ist ganz klar die Astrophysik und Astronomie, Physik, Kern- und Teilchenphysik, aber auch die Festkörperphysik und Plasmaphysik.

Warum Astroteilchenphysik? Der Name Teilchenastrophysik stand auch im Raum, aber Astroteilchenphysik hört sich für dieses Gebiet einfach besser an. Es ist ein moderner Name mit einem modernen, naturwissenschaftlichen Thema.

Die Frage ist jetzt aber, welche Anwendung es für die Cherenkov-Strahlung in der Astroteilchenphysik gibt. Schauen wir uns mal die Kosmische Strahlung an. Da wir nirgendswo sonst, außer auf der Erde sind, interessiert uns ausschließlich die Kosmische Strahlung auf der Erde an. Kosmische Strahlung tritt auf der Erde gerne in Luftschauern auf. Das ist ein heißes Wort, und hoffentlich leicht zu merken. Das Konzept vom Luftschauer ist, dass Partikel der Kosmischen Strahlungen aller Art in die Erdatmosphäre eintreffen, also z.B. α-Teilchen, Protonen, einzelne Atome, und sowas in der Art (am besten so hochenergetisch wie möglich, wegen dem Spaßfaktor jedem Wissenschaftlers), das nennt man das Primärteilchen, dabei wechselwirken sie mit den Atomen und Moleküle der Luft. Sie zerstören förmlich die Teilchen und ihre Produkte, die bei den Reaktionen der beiden Teilchen entsteht, z.B. α-Teilchen, Protonen, Elektronen, Elektron-Antineutrino, Myon (In Englisch: muon), Gammaphotonen, und ein paar andere sind dann die Sekundärteilchen. Die haben aber wiederum noch soviel Energie, dass sie wieder mit anderen Luftteilchen wechselwirken. Diese Luftschauer sehen ein wenig aus wie ein Nervenstrang mit ganz vielen Haaren. Und wie kann man sowas aufzeichnen? Da gibt es hauptsächlich vier verschiedene Arten (wir sind nicht beim Thema Kosmische Strahlung) und eine davon tatsächlich durch Cherenkov-Detektoren, also durch Gerätschaften, die die Cherenkov-Strahlung nutzen, um die Kosmische Strahlung zu detektieren. Da gibt es z.B. die Szintillatoren, das sind so Gerätschaften, die bei IceTop (IceCube) verwendet werden. Meistens verwenden sie Kristalle (Silizium, Quarz…), die die geladenen Teilchen durchdringen, zwar an Energie verlieren, aber jedoch als Cherenkov-Lichtblitze für wenige Nanosekunden am Photonendetektor aufgefangen werden können. Ich bin mir jetzt allerdings unsicher, ob sie einen Photomultiplier verwenden, oder nicht.

Andere Ideen, die Kosmische Strahlung mittels der Cherenkov-Strahlung zu detektieren, ist, z.B. viele Wasser- oder Eistanks mit hochempfindlichen Licht-Sensoren und ggf. Photomultiplier aufzustellen, wie es dem Prinzip ähnlich im Tunka-Tal in Sibirien, beim KASCADE (grande)-Experiment, bei (Super-)Kamiokande, ANTARES. Beim Pierre-Auger-Observatorium in der Pampa, Argentinien, werden scheinbar auch diese Szintillatoren verwendet.

Und da gibt es auch noch hochempfindliche Teleskope, die die Cherenkov-Strahlung in der Luft suchen, z.B. in der Namib-Wüste in Namibia das Projekt HESS, da haben sie ein primäres Spiegelteleskop und in kleiner Entfernung vier weitere kleine Spiegelteleskope.

Wenn euch diese Experimente interessieren, oder ich mal einen langen Beitrag über die Astroteilchenphysik schreiben soll, dann lasst es mich doch wissen, solche Beiträge lässt sich organisieren. Warum kam jetzt längere Zeit nichts? Ich war für eine Woche das KIT Campus Nord, näher das IKP, besuchen und davon werde ich demnächst auch berichten und ein paar Bilder zeigen.

Die Formeln für die Mathematiker, sowie die Cherenkov-Strahlung ein bisschen ausführlicher beschrieben: https://www.thphys.uni-heidelberg.de/~wolschin/eds15_3s.pdf; https://arxiv.org/pdf/1901.00146.pdf

Quellen:
https://www.symmetrymagazine.org/article/august-2009/explain-it-in-60-seconds-cherenkov-light
https://www.mpi-hd.mpg.de/hfm/CosmicRay/ChLight/Cherenkov.html
https://de.wikipedia.org/wiki/Tscherenkow-Strahlung
https://www.auger.org/index.php/observatory/amiga
https://www.thphys.uni-heidelberg.de/~wolschin/eds15_3s.pdf
Gespräch mit u.a. Donghwa Kang, Hrvoje Dujmovic am 02. und 03.03.2020, KIT Campus Nord, IKP

Bildquellen:
https://particlegadgeteering.files.wordpress.com/2018/02/19963344882_1fa483fb05_z.jpg
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f2/Advanced_Test_Reactor.jpg

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