Polarstern-Projekt

Die Messung kosmischer Teilchen vom Nordpol bis zum Südpol ist von großem wissenschaftlichen Interesse, da sich zwischen den Polen die Stärke des Erdmagnetfeldes ändert, mit dem die kosmischen Teilchen interagieren. Insbesondere in Meeresgebieten, wo es bisher nur wenige Daten zu kosmischen Teilchen gibt, ist die Messung eben jener besonders interessant.

Das deutsche Forschungsschiff „Polarstern“ des Alfred-Wegener-Institutes durchquert im Dienste der Wissenschaft jährlich die arktischen und antarktischen Gewässer und überquert während seiner Reise viele Breitengrade. DESY betreibt seit Ende 2010 ein Szintillationszähler-Experiment an Bord der Polarstern und seit Ende 2011 zusätzlich ein Neutron-Monitor-Experiment in Zusammenarbeit mit den Universitäten Kiel und Potchefstroom (Südafrika).

Das vorrangige Ziel des Polarstern-Projektes für Schüler ist es, den Effekt der Abnahme der Rate kosmischer Teilchen auf der Fahrt zum Äquator zu messen und nachzuweisen (geomagnetischer Cut-Off). Dieser Effekt ergibt sich aus dem Einfluss des Erdmagnetfeldes auf die geladenen Teilchen. So werden die niederenergetischen kosmischen Teilchen am Äquator stark von ihrer ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt und zum Pol geleitet.

Wo sich das Forschungsschiff Polarstern aktuell befindet, kann man auf der Internetseite zur Expedition verfolgen. Seit 2012 sind auch auf der deutschen Neumayer III Station in der Antarktis ein Szintillationszähler-Experiment und ein Neutron-Monitor installiert.

 
Versuchsaufbau des Szintillationszähler-Experiments (2012-2016)

Das Szintillationszähler-Experiment misst Myonen, die in Luftschauern bei der Wechselwirkung von kosmischen Teilchen mit der Atmosphäre entstehen. Dazu werden Szintillatorplatten genutzt, ähnlich wie beim CosMO-Experiment. Das Szintillationszähler-Experiment besteht aus folgenden Komponenten (entsprechend der Nummerierung auf dem Foto):

	zwei Szintillationszähler-Detektoren im Abstand von 40 cm, einer DAQ-Karte (vom Fermilab QuarkNet-Experiment), ein Netbook, auf dem ein spezielles Programm arbeitet, das nicht nur die Daten speichert, sondern auch analysiert, damit sie über das interne Netzwerk der Polarstern einmal täglich zum DESY übertragen werden können.

Die beiden 25x25 cm² großen Detektoren werden jeweils von zwei PMTs ausgelesen. Nur wenn beide PMTs pro Detektor ein Signal registrieren, wird das auch als Detektion eines Myons gewertet. Damit erreicht man eine gute Unterdrückung von Fehlsignalen.

 
Veruchsaufbau des Szintillationszähler-Experiments (ab 2017)

Das neue Experiment besteht aus zwei im Abstand von 50 cm übereinander angeordneten Detektorebenen. Eine Ebene enthält jeweils 4 von einander unabhängige Szintillatorplatten.
Um Fehlsignale zu unterdrücken, wird jeder Szintillator von zwei PMTs ausgelesen. Die neue Datenausleseelektronik ermöglicht es, die Koinzidenz der beiden Signale eines Szintillators zu definieren und dann Koinzidenzen zwischen den Szintillatoren der oberen und unteren Ebene zu fordern.
Für ein einzelnes Myon erhält man 16 mögliche Richtungskombinationen. Da der Seegang ein Rollen und Stampfen der "Polarstern" verursacht, ist die Richtungsinformation nicht sinnvoll. Daher werden nur zwei Variablen gespeichert: die Gesamtzahl der Myonen pro Stunde (Summe aller 16 Kombinationen) und die Anzahl der Schauerereignisse, bei denen alle 8 Szintillatoren gleichzeitig ein Signal zeigen.

 
Versuchsaufbau des Neutronen-Monitors

Der Neutronen-Monitor ist ein Detektor zur Messung von Neutronen, die bei Wechselwirkungen hadronischer kosmischer Teilchen (Protonen, leichte Kerne) mit Molekülen der Erdatmosphäre entstehen. Er besteht aus den folgenden Komponenten: einem Detektor einer Elektronik-Box zur Signalverwertung einem Computer zur Datennahme Eine Beschreibung der Funktionsweise findet sich im Glossar.

 
Datenstruktur

Die Daten auf Cosmic@Web enthalten folgende Informationen: die Zeit, die Teilchenrate pro Stunde vom Szintillationszähler und vom Neutron- Monitor, Wetterinformationen wie Luftdruck, Temperatur sowie die Koordinaten der Polarstern. Weitere Informationen findest du in der Datensatzbeschreibung.

 
Mögliche Aufgabenstellungen

Mit den Daten der beiden Experimente auf der Polarstern ergeben sich mehrere mögliche Aufgabenstellungen:

• Messung des Geomagnetischen Cut-Offs, also die Abhängigkeit der Rate kosmischer Teilchen von der geografischen Breite.
• Verfolgen der Schiffposition mit Hilfe der GPS Daten. Aus der Zeit und Position lässt sich die Schiffsgeschwindigkeit auf der Route berechnen und darstellen.
• Bestimmung der Rate kosmischer Teilchen in Abhängigkeit der Wetterbedingungen.
• Auswerten der Wetterdaten. Dies ermöglicht einen großartigen Einblick in das Weltwetter, besonders in die Wetterbedingungen am Äquator, in den Gewässern der Antarktis und im Nordpolarmeer.
• Suche nach Sonneneruptionen, bei der Unmengen kosmischer Teilchen explosionsartig von der Sonne ausgestoßen werden. Die Rate kosmischer Teilchen überschreitet dabei kurz deutlich den über alle Zeit gemittelten Wert. Je nach Stärke der Eruption wird die Ionosphäre dadurch beeinflussen und elektromagnetische Störungen hervorrufen.
• Vergleich der Teilchenraten vom Szintillationszähler und Neutronen-Monitor.
• Vergleich der Daten mit den Ergebnissen anderer Experimente, z.B. Satellitenexperimete zur Sonnenbeobachtung. Natürlich kann man auch die Daten von der Polarstern mit denen auf der Neumayer-Station vergleichen.

Beispieldiagramme

Auf der Plattform Cosmic@Web finden sich unter der Session-ID Polarstern einige Beispieldiagramme.
 

Verfolgen der Schiffsposition

	Mit Hilfe der Informationen zu Längen- und Breitengraden in jedem Datensatz lassen sich Karten erstellen. Zusätzlich zu den Koordinaten wird in dieser Karte farbig die Zeit dargestellt, sodass nachvollzogen werden kann, wann sich die Polarstern wo befunden hat.

 

Myonrate-Breitengrad-Diagramm

	In diesem xy-Diagramm werden die Myonraten, die 2015 bei verschiedenen Breitengraden gemessen wurden, abgetragen. Eine zusätzliche z-Achse zeigt den jeweiligen Luftdruck. Die genauen Einstellungen sind auf der Session-ID Polarstern zu finden. Wie lässt sich das Diagramm interpretieren? Wie kann man diesen Verlauf erklären?