Strahlung bei höchsten Energien

10²⁰ Elektronvolt (eV) hatten die energiereichsten Teilchen, die im Laufe der letzten 40 Jahre in der kosmischen Strahlung aufgespürt wurden. Zum Vergleich: 0,03eV beträgt die Bewegungsenergie von Luftmolekülen bei Raumtemperatur. 10²⁰eV - das ist eine makroskopische Größenordnung bei einem mikroskopischen Objekt! So etwas dürfte es nach konservativen physikalischen Abschätzungen gar nicht geben, weil man keine überzeugenden Quellen in unserer kosmischen Nachbarschaft kennt, und weil die Teilchen aus allen Richtungen mit ungefähr der gleichen Häufigkeit zu kommen scheinen, was für sehr weit entfernte Quellen spricht. Hierzu gibt es zwar diverse Kandidaten - doch aus so großen Distanzen dürften die Teilchen gar nicht mit den gemessenen 10²⁰eV zu uns gelangen. Das verbietet eine physikalische Grenze, der GZK-cutoff (Abb. 1).

Abb.1 Der GZK-Effekt als Protonenbremse: Protonen unterschiedlicher Anfangsenergien werden nach etwa 100 Megaparsec (326 Millionen Lichtjahren) durch die Kosmische Hintergrundstrahlung auf Energien unter 10²⁰eV "abgebremst" [3]. Rätselhafter Weise wurden energiereichere Teilchen beobachtet.

GZK ist die Abkürzung der Namen dreier Physiker, die 1966 diese Grenze berechneten: K. Greisen (USA) sowie unabhängig G. T. Zatsepin und V. A. Kuzmin (UDSSR). Weil Protonen mit Energien über 5x10¹⁹eV sehr effektiv mit Photonen der Kosmischen Hintergrundstrahlung wechselwirken, dem Restleuchten des Urknalls, verlieren sie einen Teil ihrer Energie. Die Energieverluste sind der Grund für die GZK-Grenze: Ein Proton mit 8x10¹⁹eV hat nur eine Chance von 10% weiter als 100Mpc (Megaparsec) zu kommen, und eines mit 3x10²⁰eV - der bisherige Rekordhalter - gar nur eine von 0,1%, mehr als 50Mpc zurückzulegen. Das bedeutet, dass die Hälfte der Teilchen mit 10²⁰eV aus einem Gebiet im Umkreis von 20Mpc stammen sollte. Wären die Teilchen nicht Protonen sondern Eisenkerne, so läge ihre GZK-Grenze etwas weiter entfernt. Doch auch so sind in dieser - nach kosmologischen Maßstäben beurteilt - relativ geringen Entfernung keine Quellen bekannt. Wenn die Teilchen der Kosmischen Strahlung aber aus allen Richtungen mit der gleichen Häufigkeit eintreffen, stammen sie wahrscheinlich aus extrem großen Distanzen, denn einzelne Quellen in räumlicher Nähe sollten sich durch eine Häufung der Teilchen an bestimmten Stellen des Himmels bemerkbar machen. Allerdings gilt dies nur für Teilchen mit Energien um 10²⁰eV, da niederenergetischere geladene Teilchen durch galaktische und intergalaktische Magnetfelder stark abgelegt würden.

Wenn die GZK-Grenze wirklich überschritten wird dürften revolutionäre Erkenntnisse bevorstehen:

1. Entweder stammen die Teilchen nicht aus kosmologischen Entfernungen, sondern werden in der Nähe erzeugt, etwa im galaktischen Halo, der die Milchstraßenscheibe kugelförmig umschließt. Dort könnten bislang unbekannte Teilchen zerfallen, die vielleicht noch aus der Zeit des Urknalls stammen. Dann müsste das Standardmodell der Elementarteilchenphysik erweitert werden. Aber dagegen spricht die Isotropie der Strahlung.

2. Oder die GZK-Grenze wird durch einen unbekannten physikalischen Effekt umgangen - vielleicht durch Verletzung der so genannten Lorentz-Invarianz, eines Grundpfeilers der Speziellen Relativitätstheorie, was letztlich das Dogma einer stets gleich bleibenden Vakuum-Lichtgeschwindigkeit zu Fall bringen würde. Aber dann wäre weiterhin unklar wie die hohe Bewegungsenergie der Teilchen zustande kommt. Kandidaten hierfür sind beispielsweise supermassive schwarzen Löcher im Zentrum der Galaxien. Wenn sie Materie verschlingen, werden dabei Teilchen heraus geschleudert. Weil das "große Fressen" aber überwiegend in der Frühzeit des Alls stattfand, gibt es nur wenige dieser aktiven Galaxien in relativer Nähe, d.h. innerhalb der GZK-Grenze. Dasselbe gilt für andere Beschleunigungsmechanismen: Kollisionen von Galaxien, Supernovae und Sternwinde in Starburst-Galaxien, Gammastrahlungsausbrüche sowie hochenergetische Teilchenströme (Jets), die in intergalaktische Gaswolken schießen. Unabhängig von der Entfernung und Art der Quellen ist die maximal erreichbare Energie E_max beschleunigter Teilchen mit einer Ladung z, durch das vorherrschende Magnetfeld B und die Größe der Quelle L bestimmt: E_max ∼ β_s ⋅ z ⋅ B ⋅ L. Der Faktor β_s=v_s/c berücksichtigt die Ausbreitungsgeschwindigkeit v_s der beschleunigenden Schockwellen relativ zur Lichtgeschwindigkeit c (siehe das nach M. Hillas benannte Diagramm in Abb. 2).
   Neben diesen Quellen, die Teilchen beschleunigen können, gibt es weitere Szenarien, so genannte "Nicht-Beschleuniger-Modelle", bei denen Protonen ihre Energie nicht durch Beschleunigung sondern durch den Zerfall noch höherenergetischer Teilchen erhalten - also als niederenergetische Zerfallsprodukte -, etwa durch zerfallende topologische Defekte (Überbleibsel des Urknalls in riesigen Entfernungen) oder unter anderem durch den Zerfall von Z⁰-Bosonen, den Vermittlern der schwachen Kernkraft, die bei der Kollision hochenergetischer Neutrinos mit Relikt-Neutrinos des Urknalls entstehen könnten.

Abb. 2 Das Hillas-Diagramm: Das Diagramm zeigt, wie die Leistungsfähigkeit verschiedener Beschleunigungsquellen im All von der Größe und der dort herrschenden oder vermuteten Magnetfeldstärke abhängt [4]. Als Vergleich dient der LHC - der stärkste Teilchenbeschleuniger auf der Erde. Unterhalb der gestrichelten Linie können keine Protonen (z=1) auf Energien größer 3x10²⁰eV beschleunigt werden. 1 Parsec (pc) entspricht 3.26 Lichtjahren.

Neben der Verteilung der Ankunftsenergien der Teilchen sind die Ankunftsrichtung und die relative Häufigkeit einzelner Elemente die entscheidenden Beobachtungen, um das Rätsel der höchstenergetischen Strahlung zu lösen.