Such nach Kosmischen Teilchen jenseits der Zetta-eV Energieskala mit dem Mond

• Antragsteller: Dr. Tobias Winchen
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 376253648

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Teilchen mit der höchsten jemals beobachteten Energie erreichen die Erde als Teil der kosmischen Strahlung. Die Energien dieser Teilchen sind bis zu zehn Millionen mal höher, als die Energien die der größte von Menschen gebaute Beschleuniger, der Large Hadron Collideräm CERN, erreichen kann. Dieses Projekt wird dazu beitragen das Rätsel zu lösen, welche Prozesse im Universum Teilchen auf diese hohen Energien beschleunigen können, und nach Teilchen mit noch höheren Energien suchen, die wiederum Aufschlüsse darüber geben können was während des Urknalls geschah. Um diese seltenen Teilchen zu beobachten werden sehr große Experimente, wie z.B. das Pierre Auger Observatorium in Argentinien benötigt. Dieses benutzt mehr als 1600 Detektoren verteilt auf einer Fläche von 3000 km - das ist etwas größer als das Saarland - um Teilchen zu messen, die die Erdatmosphäre treffen. Trotz dieser Dimensionen werden nur wenige Dutzend Teilchen bei den höchsten Energien pro Jahr beobachtet. Der Ursprung dieser Teilchen bleibt somit weiterhin unklar. Damit in Zukunft deutlich mehr dieser Teilchen beobachten werden können, und so das Rätsel ihres Ursprunges gelöst werden kann, wurde im Rahmen dieses Projektes ein neuer Beobachtungsmodus für das LOFAR Radio Teleskop entwickelt. Das LOw Frequency ARray (LOFAR) ist das erste einer neuen Generation von Radioteleskopen, die durch den digitalen Verbund hunderter Antennen an verteilten Standorten neue astronomische Beobachtungen ermöglichen. LOFAR nutzt dafür Stationen von jeweils hunderten Antennen an mehr als 50 über mehrere europäische Länder verteilte Antennen, wobei 24 dieser Stationen zu einem ‘dichten Kern’ in den Niederlanden gruppiert sind. Mit dem hier entwickeltem Beobachtungsmodus wird es für LOFAR möglich kurze Radiopulse zu detektieren die entstehen wenn ein Teilchen der kosmischen Strahlung den Mond trifft. Die hier entwickelte Erweiterung für LOFAR macht somit aus dem Mond potentiell den größten existierenden Detektor für kosmische Teilchen. Die größte Herausforderung in dem Projekt ist gegeben durch die Menge von ca. 1 TB an Daten, die LOFAR pro Sekunde generiert. Die anfallenden Daten werden durch das hier entwickelte Programm in Echtzeit analysiert. Dazu wurden die Analysealgorithmen auf Graphikkarten (GPUs) anstatt regulären Computerprozessoren (CPUs) implementiert, die für solche Problemstellungen ein Vielfaches mehr an Rechenkapazität als CPUs bieten. Erste Beobachtungen mit dem neuen Modus werden zur Zeit vorbereitet und voraussichtlich 2019 durchgeführt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• RadioPropa - A Modular Raytracer for In-Matter Radio Propagation, Proceedings of the ARENA Conference 2018
  T. Winchen
  
• Status of the Lunar Detection Mode for Cosmic Particles of LOFAR, Proceedings of the European Cosmic Ray Symposium 2018
  T. Winchen