GZK-Cutoff

GZK-Cutoff ist die nach den Physikern Kenneth Greisen ^[1], Georgiy Zatsepin und Vadim Kuzmin^[2] benannte Obergrenze (engl. cutoff) für die Energie kosmischer Strahlung sehr weit entfernter Quellen. Diese Grenze wurde von ihnen im Jahre 1966 errechnet.

Geladene Teilchen sehr hoher Energie ‘sehen’ die Photonen (γ) der kosmischen Hintergrundstrahlung stark blauverschoben und können von diesen gestreut werden. Für Protonen (p), auch in Atomkernen gebundenen, gibt es außer der elastischen Streuung 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 (Δ ⁺ ), die wiederum in ein Proton oder Neutron sowie ein geladenes (π ⁺ ) oder neutrales (π⁰) 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 [astro-ph].
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:astro-ph/1009.1855v2
7. ↑ Jorge Alfaro, Gonzalo Palma: Loop Quantum Gravity and Ultra High Energy Cosmic Rays. In: Phys. Rev. D. 67, 2003, S. 083003, arXiv:hep-th/0208193, doi:10.1103/PhysRevD.67.083003.

Weblinks

• AGASA-Experiment
• HiRes-Kollaboration
• AUGER-Experiment