Durch die Suche kosmogener Neutrinos dem Geheimnis der Cosmic Rays auf der Spur – Weiterentwicklung des ARIANNA Pilotprojekts zu einem Entdeckungsinstrument

• Antragsteller: Dr. Christian Glaser
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 376715320

Cosmic Rays sind die höchstenergetischsten Teilchen, die in unserem Universum beobachtet werden. Die Energie eines einzelnen Atomkerns erreicht mehr als 10^20 eV (~16 Joules), was sieben Größenordungen größer ist als die Energien, die in den größten Teilchenbeschleunigern der Welt, wie dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN, erreicht werden können. Die Untersuchung dieser ultra hochenergetischen Cosmic Rays (UHECRs) gibt Aufschluss über die gewaltigsten Naturerscheinungen unseres Universums, wie z.B. aktive galaktische Kerne oder Gammastrahlenexplosionen (gamma-ray bursts), die mögliche Quellen der UHECRs sind. Ein Schlüssel zu den Quellen der UHECRs ist die Messung kosmogener Neutrinos, die durch Wechselwirkungen der Cosmic-Rays mit Materie, die die Quellen umgibt, oder mit Photonen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) entstehen. Neutrinos propagieren ungehindert durchs Universum und zeigen zurück auf die Cosmic-Ray Quelle. Ihre Messung erlaubt die klare Unterscheidung zwischen verschiedenen astrophysikalischen Modellen, die momentan heftig diskutiert werden. Die Anzahl kosmogener Neutrinos im relevanten Energiebereich von 10^16.5 – 10^20.5 eV ist so niedrig, dass aktuelle Experimente, wie z.B. IceCube, zu klein sind um genügend Neutrinos in einer angemessenen Zeit zu messen. Genügend Sensitivität zu diesen hochenergetischen Neutrinos kann mit dem geplanten ARIANNA Experiment erreicht werden, das 0.5 Teratonnen Eis in der Antarktis kostengünstig mit Radioantennen instrumentiert.Das Ziel dieses Projekts ist es das ARIANNA Experiment von einem Pilotprojekt zu einem Detektor weiter zu entwickeln, der die Fähigkeit hat, die Quellen von extragalaktischen Cosmic-Rays zu entdecken. Mein bisheriges Wissen über die Radiodetektion von Cosmic Rays ist dabei sehr nützlich und ich werde darauf aufbauen können, um genaue Rekonstruktionsmethoden für die Energie und Ankunftsrichtung der kosmogenen Neutrinos zu entwickeln. Außerdem werde ich verschiedene Methoden untersuchen, die Neutrino-Art (flavor) zu bestimmen, was weitere Information über deren Ursprung liefern wird. Dazu werde ich unter anderem mit Experten des Maschinellen Lernens (advanced machine learning) zusammenarbeiten und die Errichtung eines zusätzlichen Antennenfeldes auf dem Eis untersuchen, welches nur auf Tau-Neutrinos sensitiv ist. Alle Methoden werden mit Daten des ARIANNA Pilot Programms getestet, das bereits fertiggestellt ist und 2.7 Gigatonnen Eis instrumentiert. In Zukunft können diese Methoden dann genutzt werden, um mit dem vollständigen ARIANNA Detektor effizient nach kosmogenen Neutrinos zu suchen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Steven W. Barwick