Suche nach dem grössten Teilchenbeschleuniger des Universums

Heute weiss man, dass ihre Energie einen weiten Bereich überstreicht und über 10²⁰ eV erreichen kann, hundert Millionen Mal mehr als die leistungsfähigsten irdischen Teilchenbeschleuniger zustande bringen. Die Existenz von Teilchen mit Energien oberhalb von 10²⁰ eV ist für die Wissenschaft bisher ein Rätsel. Es ist kein Beschleunigungsmechanismus und keine Quelle im Universum bekannt, die sie erzeugen könnten. Ausserdem sollten die Teilchen aufgrund von Reaktionen mit der sogenannten kosmischen Hintergrundstrahlung, einer überall im Weltall vorhandenen elektromagnetischen Reststrahlung des Urknalls, abgebremst werden. Eine der wichtigsten Fragen der modernen Astrophysik lautet deshalb: Wieso können diese Teilchen auf der Erde gemessen werden? Oder anders formuliert: Wo entstehen sie?
Am 15. und 16. März 1999 wurden in Mendoza, Argentinien, die Rahmenverträge für ein internationales Projekt unterschrieben, das diese Fragestellungen untersuchen soll. Da Teilchen mit extrem hohen Energien selten sind, können sie nur mit einer sehr grossflächigen Messeinrichtung detektiert werden. Das Projekt sieht vor, auf einer Fläche von 3200 km² auf einer Hochebene in Argentinien 1600 Detektortanks aufzustellen. Dazu kommen vier hochempfindliche Teleskop-Augen, die in klaren Nächten den Luftraum über den Detektortanks nach Leuchtspuren absuchen.
Gemessen werden nicht die Ausgangsteilchen, die auf die Erdatmosphäre treffen. Diese erzeugen in der Atmosphäre vielmehr Schauer von Sekundärteilchen, die dann wieder Teilchen erzeugen usw. Diese Schauer wurden auf der Erdoberfläche erstmals von Pierre Auger, dem Namenspatron dieses Grossprojektes, im Jahr 1938 gemessen. Die einzelnen Teilchen aus den Schauern erzeugen charakteristische Reaktionen in den Detektoren des Auger-Experimentes. Die Grundidee zum Pierre-Auger-Projekt wurde zu Beginn der 90er Jahre vom amerikanischen Nobelpreisträger James Cronin entwickelt. Nach langer Suche identifizierten die Wissenschaftler die dünnbesiedelte argentinische Pampa als geeigneten Standort für die Realisierung.
Wegen der Dimensionen des Projekts wurde ein kostengünstiges und zuverlässiges Detektorkonzept gewählt. Die rund 1600 Wassertanks mit einem Durchmesser von 3,4 m und einer Höhe von 1,2 m werden auf einem Gitter mit 1,5 km Abstand aufgestellt. Jeder Tank ist mit drei Photomultipliern ausgestattet, die das sogenannte Tscherenkow-Licht registrieren, das beim Einfall der Teilchenschauer entsteht. An drei Stellen am Rand sowie in der Mitte des Detektorfeldes werden sogenannte Fluoreszenzdetektoren errichtet, die die Atmosphäre beobachten und die "Leuchtspur" der Teilchenschauer messen. Aus den kombinierten Daten ist eine Bestimmung von Richtung, Energie und Masse des Ausgangsteilchens möglich.