Andere Messtechniken

Müonendetektoren

Bezüglich der Messung der Müonenkomponente ist es wichtig zu beachten, daß nur primäre kosmische Strahlungsteilchen mit Enerigen >4 GeV genügend Energie besitzen, um sekundäre Müonen zu produzieren, welche einen Detektor auf dem Erdboden erreichen können. Zum Nachweis von Müonen werden z.B. Geiger-Müller Zähler oder Szintillationszähler eingesetzt. Die Geiger-Müller Zähler erfordern eine hohe Spannung, wodurch ein sehr hohes elektrisches Feld in der Nähe der Anode erzeugt wird. Wenn kosmische Strahlungsteilchen in den Detektor gelangen, dann streifen sie Elektronen aus der Elektronenhülle des Zählgases und des Materials der Zählrohrwand ab. Diese Elektronen werden in Richtung des positiv geladenen Anodendrahtes im Zählrohr beschleunigt und gewinnen dabei soviel Energie, daß sie in der Lage sind weitere Elektronen der Moleküle des Zählgases herauszuschlagen. Diese Elektronen werden ihrerseits natürlich ebenfalls beschleunigt und können weitere Elektronen aus dem Zählgas herausschlagen - es gibt einen Schauer. Dieser Elektronenschauer besteht aus mehr als einer Milliarden negativ geladener Elektronen, welche sich auf den positiv geladenen Zählrohrdraht gelangen und zu einem elektrischen Strom führen, welcher mit einer einfachen Nachweiselektronik gemessen werden kann.

Da ein einzelner Geigerzähler empfindlich ist für Teilchen, die aus beliebiger Richtung in das Zählrohr einfallen, kann mit einem einzelnen Geigerzähler keine Information bezüglich der Einfallsrichtung oder der Teilchenfamilie gemacht werden. Der Einsatz von zwei oder mehr Geigerzählern mit dem Einsatz der Koinzidenztechnik (simultane Messung von Zählsignalen in zwei oder mehr Zählrohren) erlaubt komplexere Experimente aufzubauen, z.B. kann zwischen Teilchenfamilien unterschieden werden, oder es kann die Einfallsrichtung der Teilchen bestimmt werden. Mit geeigneter Anordnung kann auch die terrestrische Strahlung, d.h. Strahlung aus natürlichen radioaktiven Zerfällen, von der Detektion ausgeschlossen werden.

Unterirdische Müonenexperimente

Der hochenergetische Teil der Müonenkomponente in der sekundären kosmischen Strahlung wird mit unterirdischen Müonendetektoren untersucht. Diese Detektoren machen Gebrauch vom hohen Durchdringungsvermögen der Müonen durch Materie. Müonen haben ein höheres Durchdringungsvermögen als die meisten Komponenten der sekundären kosmischen Strahlung, einzig die Neutrinos weisen ein noch wesentlich höheres Durchdringungsvermögen auf. Untergrundmüonendetektoren bestehen entweder aus einem einzelnen Detektor oder aus einer Anordnung einiger weniger Detektoren. (Anmerkung: atmosphärische, solare und kosmische Neutrinos werden ebenfalls mit Detekoren in tiefem Untergrund unterucht. Jedoch müssen solche Detektoren ein sehr grosse Fläche aufweisen, um den sehr kleinen Wirkungsquerschnitt zu kompensieren).

Extensive Air Shower Arrays

Grossflächige kosmische Strahlungsschauer in der Atmosphäre werden mit verschiedenen Technologien von Teilchendetektoren untersucht. Am gebräuchlichsten sind Szintillationszähler, die die Ankunftszeit der Teilchen mit hoher zeitlicher Genauigkeit messen können. Weiter verwendete Einrichtungen bestehen aus Cherenkov Detektoren, Driftkammern, Streamerdetektoren und Geiger-Müller Zählern. Positionsempfindliche Einheiten erlauben, die Einfallsrichtung der Teilchen zu bestimmen.

Um ausgiebige kosmische Strahlungsschauer in der Atmosphäre zu detektieren, werden Konizidenzmessungen von mehreren Teilchendetektoren (Gruppen von einigen zehn bis sogar hunderte Detektoren) mit einem Abstand von 10-30 Metern untereinander verwendet. Für die grössten Schauer mit Milliarden von sekundären Teilchen müssen die einzelnen Dektektoren in einem Netzwerk mit einer Maschengrösse von typisch einem Kilometer aufgestellt werden. Die Grösse von Luftschauerexperimenten liegt zwischen einigen hundert Metern bis einige zehn Kilometer. Solche Anordnungen erlauben die Untersuchung der primären kosmischen Strahlung im Energiebereich von 10¹²10²¹ eV.

Cherenkov Detektoren

Relativistische Elektronen und Positronen der sekundären kosmischen Strahlung in der Atmosphäre erzeugen Cherenkov Strahlung im sichtbaren Bereich, wenn die Geschwindigkeit der Teilchen grösser ist als die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium (Erdatmosphäre). Die Cherenkov-Zähler detektieren diese Lichtpulse aus einem grossen Volumen (typisch tausend Kubikkilometer). Ein ähnliche Technik wird ebenfalls verwendet, um Neutrinos zu untersuchen. Dabei werden Cherenkov Lichtpulse im Medium Wasser erzeugt (z.B. Deep Underwater Muon And Neutrino Detector (DUMAND)) oder im Eis (z.B. IceCube Neutrino Observatory oder Antarctic Muon And Neutrino Detector Array (AMANDA)).

Ballonexperimente

Mit modernen Ballonen können kosmische Strahlungsdetektoren heute bis auf Höhen von 40-70 km gebracht werden. Früher wurden relativ kleine und einfache Detektoren mit Ballonen geflogen. Heute werden grosse und komplexe Teleskope wie BESS (Balloon Borne Experiment with Superconducting Solenoidal Spectrometer) Detektoen an Ballonen geflogen. Bei diesen grossen Höhen kann die Atmosphäre oberhalb des Ballons für die Untersuchung der kosmischen Strahlung vernachlässligt werden, d.h. diese Experimente messen direkt die primäre kosmische Strahlung. Solche Ballonexperimente sind damit vergleichbar mit Detektoren auf Satelliten mit tiefen Umlaufbahn, nur viel günstiger und einfacher zu betreiben.

Die geomagnetische Grenzsteifigkeit ist auch für Ballonexperiemente ein entscheidender Faktor. Neben den primären Teilchen werden auch die atmosphärischen Albedoteilchen (d.h. aus der Erdatmosphäre in den interplanetaren Raum reklektierte oder zurückgestreute Teilchen) gemessen und müssen deshalb berücksichtigt werden. Entgegen z.B. Neutronenmonitoren messen Ballonexperimente die kosmische Strahlung nur über eine kurze Zeitdauer.

Weiterführende Literatur

M.L. Duldig, Muon observations, Space Science Review, vol. 93, pp. 207-226, 2000