Decoding the composition of cosmic-rays in the transition region from 10^17 -10^18 eV with Tunka-Rex
Astrophysics and Astronomy
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden wesentliche Fortschritte zur Entschlüsseln der Zusammensetzung der kosmischen Strahlung im galaktisch-extragalaktischen Übergangsbereich von 1017 eV – 1018 eV mit Tunka-Rex erreicht. Insbesondere konnte die Messgenauigkeit für den wichtigsten Parameter Xmax zur Massenbestimmung durch die Weiterentwicklung einer Analysemethode signifikant verbessert werden. Kosmische Strahlung besteht aus hochenergetischen Atomkernen, die von noch unbekannten natürlichen Teilchenbeschleunigern außerhalb unseres Sonnensystems stammen. Die Rate nimmt zwar mit der Energie ab, in seltenen Fällen kann die Energie jedoch millionenfach über der von irdischen Teilchenbeschleunigern wir dem LHC am CERN liegen. Eine genauere Messung der Energieabhängigkeit der Zusammensetzung der kosmischen Strahlung, also der Anteile leichter und schwerer Atomkerne, kann Aufschluss darüber geben, bis zu welcher Energie die kosmische Strahlung noch aus unserer Galaxie (Milchstraße) stammt und ab welcher Energie sie extragalaktischen Ursprungs ist. Daher ist es wichtig, Methoden zur genaueren Bestimmung der Massenzusammensetzung zu entwickeln. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Teilchen der kosmischen Strahlung im relevanten Energiebereich zu selten sind, um sie mit Satelliten direkt im Weltraum zu messen. Daher wird die hochenergetische kosmische Strahlung stattdessen mit großen Messfeldern, beispielsweise dem 1 km2 großen Tunka-Experiment in Sibirien, indirekt durch atmosphärische Teilchenkaskaden (Luftschauer) gemessen. Die Höhe, in der sich die Luftschauer entwickeln, insbesondere die Höhe des Schauermaximums Xmax, ist dabei mit der Masse des Atomkerns korreliert. Mit Tunka-Rex, der Radioerweiterung von Tunka, sowie mit anderen Experimenten konnte gezeigt werden, dass Radiomessungen von Luftschauern zur Messung des Schauermaximums gut geeignet sind. Im Rahmen dieses Projekts, wurde eine computerbasierte Methode zur Analyse solcher Radiomessungen entwickelt, mit der sich die Genauigkeit im Vergleich zu vorherigen Analysemethoden deutlich steigern ließ. Durch den Vergleich der Form gemessener und im Computer generierter Radiopulse konnte die Messgenauigkeit auf besser als 30 g/cm2 verbessert werden, was etwas dem mittleren Unterschied von Helium- uns Wasserstoffkernen (Protonen) in der kosmischen Strahlung entspricht. Die Radiomethode erreicht damit eine vergleichbare Genauigkeit zu klassischen optischen Detektionsmethoden für Luftschauer, bietet aber den Vorteil, dass Radiomessungen nicht auf dunkle und klare Nächte beschränkt sind. Bei gleicher instrumentierter Fläche lässt sich mit Radioantennen also deutlich mehr Statistik sammeln. Die im Projekt entwickelte Methode wurde veröffentlicht und lässt sich auf andere Antennenfelder übertragen. Daher wird dieses Projekt dazu beitragen, dass die Massenzusammensetzung der kosmischen Strahlung im wichtigen Energiebereich des galaktisch-extragalaktischen Überganges genauer bestimmt werden kann. Das Ergebnis stellt somit einen wichtigen Schritt zur Lösung der offenen Frage des Ursprungs der höchstenergetischen kosmischen Strahlung dar.
Publications
- Improved measurements of the energy and shower maximum of cosmic rays with Tunka-Rex. Proc. of the 35th ICRC 2017, Busan, Korea, Proceedings of Science, PoS (ICRC2017) 400
D. Kostunin et al. - Tunka-Rex Collaboration
(See online at https://doi.org/10.22323/1.301.0400) - Reconstruction of cosmic ray air showers with Tunka-Rex data using template fitting of radio pulses, Phys. Rev. D 97 (2018) 122004
P.A. Bezyazeekov et al.
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevD.97.122004) - Present status and prospects of the Tunka Radio Extension. Proceedings of the 8th ARENA 2018, Catania, Italy, EPJ Web of Conf. 216 (2019) 01005
D. Kostunin et al. - Tunka-Rex Collaboration
(See online at https://doi.org/10.1051/epjconf/201921601005) - Seven years of Tunka-Rex operation. Proceedings of the 36th International Cosmic Ray Conference (ICRC 2019), Madison WI, USA, PoS (ICRC2019) 319
D. Kostunin for the Tunka-Rex Collaboration
