H.E.S.S. - Was machen wir hier eigentlich?

Nach den letzten Beiträgen die eher ein Erlebnisbericht waren, widme ich die nächsten Beiträge der Erläuterung, warum in den Khomas Highlands überhaupt so ein großes Teleskop (eigentlich vier große und ein GROßES) steht und was wir damit machen.

Was machen wir hier eigentlich?

H.E.S.S. ist eines der erfolgreichsten Experimente der Astroteilchenphysik. Was es so erfolgreich macht ist einfach die Tatsache, dass es ein sehr großes, bodengebundene Teleskop für Gamma-Strahlung ist. Wir beobachten hier also Gamma-Strahlung. Doch was ist das genau?

Gamma-Strahlung

Das Licht wird in ein Spektrum unterteilt - Ein Spektrum kann man sich wie einem Regenbogen vorstellen: Man kann es in unterschiedliche Komponente aufspalten, die unterschiedliche Energie haben. Die einzelnen Komponente nehmen wir mit dem menschlichen Auge dabei als Farbe wahr. Jede Farbe besteht aus Lichtteilchen mit einer ganz bestimmten Energie: Rotes Licht (Wellenlänge 600 nm) hat beispielsweise Photonomen mit etwa 2.0 eV, blaues Licht (400 nm) etwa 3.1 eV. Wenn wir mit einem Prisma nun weisses Licht in seine Bestandteile aufspalten, so können wir das gesamte Spektrum in Form eines Regenbogens sehen.

Mit dem menschlichen Auge können wir nur einen sehr geringen Teil des gesamten Spektrums sehen (Siehe Grafik unten). Mit verschiendenen Teleskopen können wir auch andere Teile des Spektrums sichtbar machen und dadurch in verschiedene Energiebereiche des Kosmos blicken. Denn rotes Licht hat weniger Energie als blaues Licht, und blaues Licht weniger Energie als beispielsweise UV-Licht. Vom UV-Licht geht's dann zunächst zum Röntgenlicht und irgendwann später dann zum Gamma-Licht. Gamma-Strahlung ist so ziemlich die härteste Strahlung, die es gibt und wird nur von zerstörerischsten Kräften wie einer Kernwaffe oder eben astrophysikalischen Quellen erzeugt.

Electromagnetic_spectrum_c
Spektrum des Lichts (Quelle: Wikipedia)

Glücklicherweise stellt die Erdatmosphäre eine relativ gute Abschirmung von Gamma-Strahlung. Praktisch keine der eigentlichen Gamma-Photonen erreichen den Erdboden, sondern werden in der Erdatmosphäre abgeblockt. Das ist gut für uns Menschen, aber schlecht für die Gamma-Astronomie - Daher waren auch viele Gamma-Experimente als Satelliten im Orbit, um das Gamma-Licht aufzunehmen, bevor es von der Erdatmosphäre verschlungen wird (Siehe: Explorer 11, Vela, OSO-3, COS-B, Fermi, ...)
Nun, wenn die Erdatmosphäre so effektiv darin ist, Gamma-Strahlung abzuschirmen, wie kann dann bodengebundene Gammastrahlen-Astronomie überhaupt funktionieren?

Gamma-Schematics
Schematische Darstellung, wie Gammastrahlen-Astronomie funktioniert
GammaPicture
So sieht ein Gamma-Teilchenshower in der Kamera aus

Die Antwort darauf ist Cherenkov-Licht, dasselbe Licht, das auch in den Wassertanks von Kernreaktoren als blaues Licht zu sehen ist. Denn alles was viel Energie hat, und abgebremst wird, hinterlässt Spuren. Und genau nach diesen Spuren halten wir hier Ausschau. Im Vergleich zu Satelliten, welche die Gamma-Strahlung direkt messen können, halten wir mit der bodengebundenen Gamma-Astronomie also nach den charakteristischen Signaturen Ausschau, die ein Gamma-Teilchen in der Erdatmosphäre hinterlässt, wenn es abgebremst wird. Man nennt diese Technik die IACT - Imaging Air Cherenkov Technique, weil wir Aufnahmen von den Lichtblitzen in der Erdatmosphäre machen und daraus dann die physikalischen Parameter des ursprünglichen Gamma-Teilchens berechnen. Diese Berechnung ist alles andere als einfach und mit ein Grund, warum Experimente wie H.E.S.S. erst durch moderne Computerarchitekturen möglich sind. Die Berechnungen finden in modernen Rechenzentren auf hunderten von CPUs statt. Mehr dazu vielleicht in einem etwas späteren Beitrag.

DSC01408
H.E.S.S. mit seinen vier kleinen Teleskopen, und dem großen Teleskop. Eines der kleinen Teleskope ist verdeckt

H.E.S.S. ist ein riesiges Experiment, das viele Aspekte der Astro- und der Teilchenphysik vereint und nicht ohne einen erheblichen Aufwand von Seiten der Physik und der Technologie möglich wäre. Und es ist auch ein Experiment, das so groß ist, dass nur eine gemeinsame Kollaboration über mehrerer Länder fähig ist, so ein Experiment zu finanzieren, zu verstehen, auszuwerten und zu betreiben.
Und es ist wahrscheinlich auch eines der erfolgreichsten Experimente der Astroteilchenphysik in den letzten Jahren.

Im nächsten Physik-Beitrag werde ich erklären, was passiert, wenn ein hochenergetisches Gamma-Teilchen in die Erdatmosphäre eindringt. Was dann passiert hat den Namen Cosmic- oder Extensive Air shower und ist der Grundbaustein für die gesamte IACT Technik, auf die Teleskope wie H.E.S.S. aufbauen.

Von der H.E.S.S. Site in Namibia,
Phoenix 🙂

Higgs Teilchen gefunden

Gratulation an die Jungs im CERN (cern.ch) für die Entdeckung des Higgs-Teilchens!!

ATLAS und CMS haben beide si -Grenze (5-sigma Grenze) erreicht, bei der man von einer Neuentdeckung eines Teilchens sprechen kann. Das Higgs-Boson wurde in Bereich von entdeckt.

Die Daten werden zwar noch offiziell bearbeitet, da es aber bereits frühere Hinweise auf das Teilchen gegeben hat, glaube ich dass ein gesunder Optimismus hier durchaus angebracht ist 😉

Proton-Proton Kollision, das zwei hochenergetische Photonen erzeugt (rote Traces).
Quelle: [Direktlink], [Link zu Cern public]
Den vollständigen Presseartikel findet ihr hier. Das Bild stammt übrigens von
http://public.web.cern.ch/public/

 

Addendum

Und für so ein kleines Sch***erchen braucht man nur die größte Maschine der Welt:

Ein 26.659 m langes Doppelrohr, das etwa 100m tief unter Genf begraben ist. Der LHC selbst liegt dabei auf französischem und Schweizer Terrain.
Übrigens: Im CERN selbst gilt weder Schweizer noch französisches Recht. Die UNESCO hat das Gebiet als extraterritoriales Gebiet deklariert! [1]

Geografische Lage des LHC. cc-by-sa
diverse contributors; mashup by User:Zykure
Source: Wikimedia

Der LHC - ein Synchrotron

Um die Teilchen auf der Bahn zu halten, werden etwa 9.000 Magnete verwendet. Bei Synchrotron-Beschleuniger (un der LHC ist einer, siehe dazu Wikipedia: Synchotron) werden zur starken Fokussierung des Teilchenstrahles jeweils zwei Magnete mit alternierenden Feldgradienten eingesetzt.

Die Fokussierung erfolgt mittels aufeinander folgenden Paaren von Dipol- und Quadrupolmagnete. Die Dipolmagnete halten die Protonen auf der Kreisbahn, während die Quadrupolmagnete den Strahl fokussieren:

Feldlinien eines Quadrupolmagnetfelds

 

Gemäß der Lorentzkraft erfährt das Proton eine Kraft in x- und in y-Richtung, wobei die Vorzeichen der beiden Kräfte immer entgegengesetzt ist. Die Folge ist, dass eine radiale Fokussierung eine vertikale Destabilisierung bewirkt und umgekehrt: Wenn man den Strahl in y-Richtung stabilisieren will, wird er in x-Richtung "aufgeweicht" und umgekehrt. Daher bedarf es immer paarweise entgegengesetzt gerichtete Quadrupolmagnete, um den Strahl sowohl radial, wie auch vertikal zu stabilisieren.

 

Cooler Ort

Die Rohre selbst werden dabei mit 10.000 t (!!!) flüssigem und 120 Tonnen He auf etwa 1.9 K gekühlt - sogar die kosmische Hintergrundstrahlung ist mit berechneten 3 K "wärmer".

Bei ihrem Flug erreichen die (armen?) Protonen etwa 99.9999991% der Lichtgeschwindigkeit (). Diese Geschwindigkeit wird voraussichtlich erst in ein paar Jahren erreicht werden, da die Energie des LHC langsam erhöht wird - Der LHC wird laufend gewartet, getestet und entwickelt.

Es werden immer wieder technische Zyklen eingelegt, bei dem Erfahrungen von vorhergehenden Experimenten zusammengetragen werden und die Maschine entsprechend optimiert wird. Der LHC "reift" langsam, und kann erst in ein paar Jahren eine volle Leistung von 7 TeV pro Beam erbringen.

Dass diese Zyklen dringend gebraucht werden, zeigen einige vorhergehende Zwischenfälle, wie etwa der am 19. September 2008 - als ein kleiner Teil der Supraleitung zusammengebrochen ist und 53 supraleitende Magnete beschädigt wurden [2]

Quelle: Cern

Das Grid

Um die immensen Datenmengen (wir sprechen von einigen 1.000 DVD pro Tag !!) auswerten zu können, bedient sich CERN über das GRID - einem Pionier der heutigen verteilte Systeme Architekturen [3]. Das Grid verteilt seine Rechenarbeit auf eine große Anzahl an Computern - und jeder kann daran teilnehmen:

Über BOINC und dem LHC@home Projekt einfach anmelden und schon wertet dein Computer Daten für das CERN aus 🙂

BOINC läuft im Hintergrund und benützt den sonst nicht verwendeten Teil des Prozessors für die Rechenarbeit. Davon merkst du (fast) nichts - auf meinen Rechnern läuft BOINC seit einigen Jahren. Außerdem erstellt er ein paar sehr coole Screensaver:

Seti@Home ist eines der GRID-Projekte die über BOINC unterstützt werden können. Wir sehen eine fast-Fourier-Transformation von Signalen, die in Echzeit über den Bildschirm flackern.
Quelle: BOINC Screenshots

Ein paar interessante Links dazu:


[1] http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=geographie
[2] http://www.lhc-facts.ch/index.php?page=magnetfeld
[3] http://public.web.cern.ch/public/en/lhc/Computing-en.html