Test der Lorentzinvarianz: Nutzung des Potentials ultra-hochenergetischer Luftschauer

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Risse
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408049454

Als eine fundamentale Säule der modernen Physik ist die Lorentzinvarianz ein Hauptziel experimenteller Präzisionstests. Dies gilt umso mehr, als Lorentzinvarianz ab einem bestimmten Level sogar verletzt sein mag, wie es theoretische Erwägungen nahelegen, die allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik zu verknüpfen versuchen. Die Entdeckung einer Verletzung der Lorentzinvarianz (LV) wäre ein entscheidender Durchbruch in der fundamentalen Physik; eine Bestätigung der Gültigkeit der Lorentzinvarianz mit wachsender Genauigkeit gibt wichtige Hinweise auf eine grundlegendere Theorie. Einige der weltbesten Tests von Lorentzinvarianz im Photonsektor nutzen Astroteilchen wie die kosmische Strahlung. Der Photonsektor ermöglicht sehr saubere Tests von LV-Physik, und die kosmische Strahlung erreicht ultrahohe Energien weit jenseits der Möglichkeiten moderner Technologie. Im Rahmen der "modified-Maxwell"-Theorie und unter Nutzung ausgedehnter, von kosmischer Strahlung initiierter Luftschauer konnten wir Obergrenzen erzielen, die eine signifikante Verbesserung zu den vorherigen waren. Dies basierte auf der Berücksichtigung der neuen LV-Prozesse des Photon-Zerfalls und der Vakuum-Cherenkovstrahlung - beide verboten in der Standardphysik - in Schauersimulationen und dem Vergleich der Vorhersagen mit Daten. Bisher beschränkte sich die Analysen auf die Eindringtiefe des Schauermaximums, eine Größe des longitudinalen Schauerprofils. Die Anzahl der Myonen am Boden steuert zusätzliche Information bei. Insbesondere ist die Korrelation zwischen Schauermaximum und Myonzahl eng verknüpft mit der Reinheit der Komposition der kosmischen Strahlung. Messungen dieser Größe liegen vor, mit der Signalstärke als Proxy zur Myonzahl. Im Fortsetzungsprojekt wird die Analyse um diese zusätzliche Observable erweitert. Dazu ist die Implementierung der LV-Prozesse im dreidimensionalen Schauersimulationsprogramm erforderlich. Die Analyse wird auch bzgl. neuer Luftschauerdaten aktualisiert. Eine Verbesserung der Sensitivität auf LV um etwa zwei Größenordnungen wird im Rahmen des Projektes erwartet. Basierend auf den dreidimensionalen Schauersimulationen wird auch der generelle Einfluss der LV-Effekte auf die Teilchenverteilungen am Boden im Detail untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen