Entschlüsseln der Zusammensetzung der kosmischen Strahlung im galaktisch-extragalaktischen Übergangsbereich von 10^17 -10^18 eV mit Tunka-Rex

• Antragsteller: Dr. Frank Schröder
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279917242

Wie die Natur Atomkerne auf Energien jenseits 10^20 eV beschleunigt, ist eine offene Frage der Astroteilchenphysik. Während kosmische Strahlung niedrigerer Energien in unserer Milchstraße erzeugt wird, stammen die Strahlung jenseits von etwa 10^17 eV wahrscheinlich aus dem tieferen Universum. Herauszufinden, wie und bei welcher Energie der Übergang stattfindet, erfordert genauere Messungen der Zusammensetzung der kosmischen Strahlung.Gegenwärtig werden in diesem Energiebereich vor allem zwei Techniken angewendet: die Luft-Cherenkov-Technik, die auf mondlose Nächte mit gutem Wetter beschränkt ist, und die Detektion von Luftschauerteilchen am Boden, die Interpretations-Unsicherheiten der Teilchenproduktion in der Atmosphäre mit sich bringt. Radiomessungen von Luftschauern sind ebenfalls rund um die Uhr möglich. Mittlerweile gibt es Hinweise, dass deren Präzision vergleichbar gut und möglicherweise sogar besser ist, wenn sie mit den anderen Techniken kombiniert wird. Daher zielt der vorliegende Antrag auf kombinierte Radio-, Luft-Cherenkov-, und Teilchen-Messungen am Tunka-Observatorium in Sibirien ab.Seit vielen Jahren führen die staatlichen Universitäten Moskau und Irkutsk dort Luftschauer-Messungen durch und betreiben seit 2009 Tunka-133, ein 1 km² großes Messfeld aus 133 Photomultiplier-Detektoren. Diese wurden vor kurzem um Oberflächen- und Untergrund-Szintillatoren erweitert. In den nächsten Jahren wird der Standort zu einem führenden Astroteilchen-Zentrum Russlands werden, indem dort weitere Detektoren für die Gamma¬astronomie aufgebaut werden (TAIGA). Außerdem verfügt Tunka über ein digitales Radio-Messfeld, Tunka-Rex (http://www.ikp.kit.edu/tunka-rex/), für das ich selbst verantwortlich bin.Tunka-Rex besteht aus 44 Antennen, die an die Luft-Cherenkov- und Szintillationsdetektoren angeschlossen sind. Der Aufbau und die ersten Analysen wurde durch eine Helmholtz Russian Joint Research Group finanziert, die im Sommer 2015 ausläuft und leider keine Verlängerungsmöglichkeit vorsieht - trotz ihres Erfolges. Zum einen können die bereits verfügbaren Daten für weitere Analysen verwendet werden. Zum anderen werden die von jetzt an durchgeführten Hybridmessungen Tunka-133 und andere Experimente deutlich an Statistik übertreffen.Daher beantrage ich Mittel von insgesamt 433 kEUR für drei Jahre, die hauptsächlich für einen Postdoc, einen Doktoranden und Reisen verwendet werden. Anfangs wird sich die Analyse auf die bereits verfügbaren Tunka-Rex-Daten konzentrieren, sowie auf die Weiterentwicklung der Methoden hin zu einer echten Hybridanalyse, die die Szintillatoren beinhaltet. Anschließend wird die große Statistik dazu genutzt, um im Übergangsbereich Energiespektra für einzelne Massengruppen zu rekonstruieren. Die Interpretation der Daten und deren Vergleich mit theoretischen Vorhersagen sollte endlich Aufschluss darüber geben, bei welcher Energie genau und auf welche Weise die extragalaktische kosmische Strahlung ins Spiel kommt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen