GZK-Cutoff

GZK-Cutoff (nach den Physikern Kenneth Greisen [1], Georgi Sazepin und Wadim Kusmin[2], die sie im Jahre 1966 errechneten) ist die Obergrenze (engl. cutoff) für die Energie kosmischer Strahlung sehr weit entfernter Quellen.

Geladene Teilchen sehr hoher Energie ‘sehen’ die Photonen ($ \gamma $) der kosmischen Hintergrundstrahlung stark blauverschoben und können von diesen gestreut werden. Außer der elastischen Streuung gibt es für Protonen (p), auch in Atomkernen gebundene, die beiden inelastischen Prozesse

$ \gamma+p\rightarrow\Delta^+\rightarrow p + \pi^0 $

und

$ \gamma+p\rightarrow\Delta^+\rightarrow n + \pi^+ $

mit einer Energieschwelle von 6×1019 eV für die Erzeugung der Delta-Resonanz ($ \Delta^+ $), die wiederum in ein Proton oder Neutron sowie ein geladenes ($ \pi^+ $) oder neutrales ($ \pi^0 $) Pion zerfällt. Das Proton verliert dabei ca. 20 % seiner Energie und ändert seine Richtung. Liegt die Energie des Protons immer noch über dieser Schwelle, so kann die Reaktion erneut stattfinden. Für sehr weit entfernte Quellen (> 100 Mio. Lichtjahre) ist die Wahrscheinlichkeit, ohne Stoß durchzukommen, sehr gering. Man spricht von GZK-Unterdrückung.

Die experimentellen Resultate bezüglich der höchstenergetischen kosmischen Strahlung erschienen zunächst widersprüchlich. Während das AGASA-Experiment der Universität Tokio Teilchen oberhalb der GZK-Energie registriert haben will[3], sind die Daten der HiRes-Kollaboration mit dem GZK-Cutoff verträglich[4]. Das Auger-Experiment hat inzwischen die HiRes-Ergebnisse bestätigt.[5] Die extrem seltenen Ereignisse jenseits der GZK-Grenze müssen von nähergelegenen Quellen stammen. Tatsächlich korreliert die beobachtete Richtungsverteilung mit aus dem optischen Bereich bekannten potentiellen Quellen.[6]

Genaue Messungen im Bereich der GZK-Energie können die Theorie der Schleifenquantengravitation bestätigen oder widerlegen. Diese sagt eine höhere Energieschwelle als 6×1019 eV voraus.[7]

Quellenangaben

  1. Kenneth Greisen: End to the Cosmic-Ray Spectrum?. In: Physical Review Letters. 16, Nr. 17, 1966, S. 748–750. doi:10.1103/PhysRevLett.16.748.
  2. G. T. Zatsepin, Kuz'min, V. A.: Upper Limit of the Spectrum of Cosmic Rays. In: Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters. 4, 1966, S. 78–80. bibcode:1966JETPL...4...78Z.
  3. M. Takeda et al.: Energy determination in the Akeno Giant Air Shower Array experiment Astropart.Phys. 19 (2003) 447–462, arxiv:astro-ph/0209422v3
  4. HiRes Collaboration: First Observation of the Greisen-Zatsepin-Kuzmin Suppression Phys. Rev. Lett. 100, 101101 (2008), arxiv:astro-ph/0703099v2
  5. The Pierre Auger Collaboration: Observation of the suppression of the flux of cosmic rays above 4x10^19eV. Phys. Rev. Lett. 101, 061101 (2008), arxiv:0806.4302v1
  6. The Pierre Auger Collaboration: Update on the correlation of the highest energy cosmic rays with nearby extragalactic matter. Astropart.Phys. 34 (2010), S. 314–326, arxiv:1009.1855v2 [astro-ph]
  7. Jorge Alfaro, Gonzalo Palma: Loop Quantum Gravity and Ultra High Energy Cosmic Rays. In: Phys. Rev. D. Band 67, 2003, S. 083003, doi:10.1103/PhysRevD.67.083003, arxiv:hep-th/0208193.

Weblinks