Berechnung und experimentelle Analyse der Myon-Wirkungsquerschnitte

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Rhode
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 349068090

In der Astroteilchenphysik werden sowohl in der Neutrinoastronomie als auch auf dem Gebiet der Physik der kosmischen Strahlung Myonen als finale Botenteilchen genutzt. Die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit der Myonen geht daher in die Interpretation der astrophysikalisch relevanten Daten ein. Dies ist insbesondere für die Bestimmung der Energiespektren der atmosphärischen, prompten und astrophysikalischen Neutrinos und zur Klärung des Ursprungs dieser Komponenten wichtig. Aufgrund der hohen Rate (hohen statistischen Präzision) des Myonflusses, der mit dem Neutrinoteleskop IceCube aufgezeichnet wird, bilden die systematischen Unsicherheiten aus den existierenden Berechnungen der Myon-Wirkungsquerschnitte inzwischen einen signifikanten Anteil der gesamten systematischen Unsicherheiten des Experimentes. In diesem Projekt sollen einerseits die Myon-Wirkungsquerschnitte mit höherer Genauigkeit theoretisch berechnet werden. Die neuen Wirkungsquerschnitte sollen in das von der antragstellenden Arbeitsgruppe für IceCube entwickelte Monte Carlo Programm PROPOSAL eingesetzt werden, um die experimentellen Konsequenzen der verbleibenden Unsicherheiten zu ermitteln. Hierzu wurde bereits gezeigt, dass die entscheidenden und zu minimierenden Beiträge zu der Systematik aus der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Energieverluste und nicht aus der Berechnung des totalen Wirkungsquerschnitts kommen. Parallel dazu sollen die mit IceCube aufgezeichneten unabhängigen Datensätze der atmosphärischen Myonen und neutrinoinduzierten Myonen dazu genutzt werden, die Qualität der Berechnungen der Wirkungsquerschnitte zu überprüfen bzw. die Wirkungsquerschnitte so weit wie möglich zu rekonstruieren. Das Projekt beruht auf einer Vielzahl von Vorarbeiten der Arbeitsgruppe, die aus den Bereichen der Informatik und Statistik (Data Mining zur Signalextraktion, Entwicklung von Methoden zur Lösung von Inversen Problemen, Entwicklung von effizienten und hochpräzisen Methoden zur Monte Carlo Simulation) sowie experimenteller und theoretischer Physik (Datenanalysen zur Rekonstruktion der Leptonspektren in IceCube, Entwicklung von Methoden zur QED-Berechnung der Wirkungsquerschnitte) stammen.Das Ziel des Projektes ist nach drei Jahren eine deutlich verbesserte Berechnung der differentiellen und totalen Myon-Wirkungsquerschnitte vorlegen zu können, deren Unsicherheiten, numerisch und experimentell abgesichert, angegeben werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen