Nachwuchsgruppe von Dr. Markus Roth

Suche nach exotischen Teilchen bei höchsten Energien

Kosmische Strahlung mit Energien, die 10²⁰eV übersteigen, wurden bereits 1963 erstmals detektiert. Ihre blose Existenz stellt uns vor eine der interessantesten und drängensten aktuellen Fragen der Astroteilchenphysik: Woher stammen diese Teilchen? Welcher Art sind sie? Wie werden sie auf so unvorstellbare Energien beschleunigt? Was lässt sich daraus über kosmische Objekte, großskalige Strukturen und Magnetfelder ableiten? Können wir etwas über Teilchenwechselwirkungen bei Energien jenseits von durch Beschleuniger erreichbaren Energien lernen?

Das Forschungszentrum Karlsruhe, ein Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren (HGF), und der Universität Karlsruhes spielen eine Schlüsselrolle beim Aufbau, Betrieb des Pierre Auger-Observatoriums als auch bei der Auswertung der anfallenden Daten, um kosmische Strahlen höchster Energien nachzuweisen und damit die drängensten Fragen anzugehen.
 

In diesem Kontext wird die Helmholtz-Hochschul-Nachwuchsruppe VH-NG-128 seit 2005 gefördert, um geneigte Luftschauer zu untersuchen.  Das Observatorium befand sich in 2005 noch im Aufbau und daher sind die Beiträge der Gruppe über eine Reihe von Themen, von Infrastrukturmaßnahmen bis zur Datenanalyse, breit gefächert.

Um eine Datenanalyse überhaupt erst zu ermöglichen, war es notwendig, die Softwareinfrastruktur für Ereignis-Simulation und Rekonstruktion zur Verfügung zu stellen. Die Gruppe spielt eine wesentliche Rolle in der Entwickelung und Bereitstellung der Offline-Software, die mitlerweile gereift und für eine Vielfalt von Datenanalysen kollaborationsweit Verwendung findet.
 

Mit den bereitgestellten Werkzeugen wurden Rekonstruktionsalgorithmen für vertikale Schauern unter 60° entwickelt und das resultierende Energiespektrum der kosmischen Strahlung oberhalb 2.5x10¹⁸eV veröffentlicht. Einer der wichtigsten Meilensteinedes Pierre Auger-Observatoriums.

Von dieser Erfahrung ausgehend entwickeln wir in Zusammenarbeit mit Kollaborationspartnern Rekonstruktionalgorithmen geneigter Schauer. Dieses Energiespektrum ist mit den Resultaten anderer Gruppen im Einklang. Das unabhängig gemessene vertikale Spektrum stimmt mit diesem überein.


Die Studie geneigter Schauer führt auf natürliche Art zur Entwicklung von Techniken, um Neutrino-induzierte Schauer zu suchen, die nur bei großen Zenitwinkeln von gewöhnlichen, hadroninduzierten Schauern unterschieden werden können. Die Gruppe entwickelt einen neuen Monte Carlo-Ansatz zur Simulation von Neutrino-Schauern, bei der Neutrinos die Erdkruste durchdringen um letzlich einen Luftschauer zu induzieren, um Neutrinokandidaten zu suchen.

Viele der Methoden, die entwickelt wurden, um Neutrino-induzierte Schauer  zu unterscheiden, sind auch anwendbar, um die Elementzusammensetzung zu bestimmen. Mit dem Oberflächendetektor des Süd-Observatoriums werden Observablen gemessen die zur  Neutrino-Analyse verwendet werden, aber auch mit der Parametern des Fluoreszenzdetektors korreliert werden können, um simulationsunabhängig die Elementzusammensetzung zu bestimmen.

Alle unsere Analysen machen umfassenden Gebrauch von großen Simulationsdatensätzen, um systematische und statistische Unsicherheiten zu studieren und insbesondere Vergleichsmuster für statistische Auswertungen zur Verfügung zu stellen. Die Helmholtz-Gemeinschaft fördert diese Aufgaben durch eine einmalige Mittelbereitstellung durch den Impuls- und Vernetzungsfonds des Helmholtz-Präsidenten und ermöglichte ein großes GRID-Computer Cluster zu finanzieren und die Virtuelle Organisation Auger aufzubauen.