Optimierung des Designs von Wasser-Cherenkov-Detektoren für die Gammastrahlenastronomie
Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Projekts war die Optimierung des Designs einer Water-Cherenkov Detektionseinheit, dem grundlegenden Baustein eines künftigen Observatoriums, das in Südamerika an einem hoch gelegenen Standort errichtet werden soll. Außerdem sollte ein Rahmen für die Rekonstruktion und Ereignisklassifizierung des Arrays entwickelt werden, ein wesentlicher Bestandteil jeder Optimierung der Array-Parameter. Dieses Projekt wurde in Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg (MPIK) und dem Erlanger Zentrum für Astroteilchenphysik (ECAP) an der Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt. In den letzten Jahren haben Observatorien wie LHAASO und HAWC gezeigt, dass ein Teleskopsystem, das aus Arrays von Wassertanks besteht, die mit schneller Elektronik ausgestattet sind, das Cherenkov-Licht von geladenen Schauerteilchen nachweisen kann, die durch die Wechselwirkung einer Gammastrahlung mit der Erdatmosphäre entstehen. LHAASO und HAWC befinden sich beide auf der Nordhalbkugel, im Süden gibt es keine derartige Einrichtung. Water Cherenkov Gammastrahlen-Observatorien zeichnen sich durch ihr weites Sichtfeld und ihre tiefe Hochenergieexposition aus, was sie ideal für die Beobachtung des galaktischen Zentrums und großer Emissionsregionen wie der Fermi-Bubbles macht. Allerdings müssen die Parameter des Arrays von Wassertanks, wie z. B. das Design der Bausteine, die räumliche Verteilung und die Triggerung des Arrays so gewählt werden, dass die Sensitivität maximiert wird. 2019 hat sich eine internationale Kollaboration gebildet, um R&D für ein südliches Gammastrahlen-Observatorium durchzuführen, die sogenannte SWGO-Kollaboration. Mehr als 90 Forschungseinrichtungen aus 15 Ländern haben die Vereinbarung für diese Zusammenarbeit für ein zukünftiges Gammastrahlen-Observatorium mit großem Sichtfeld auf der südlichen Hemisphäre unterzeichnet. Ziel der Zusammenarbeit ist es, einen detaillierten Vorschlag für die Einrichtung eines solchen Observatoriums zu erarbeiten, einschließlich der Auswahl des Standorts und der Technologie. Unser Projekt knüpft an diese Bemühungen an und hat wesentliche Elemente für den endgültigen Entwurf von SWGO geliefert. Das Projekt war in drei Module unterteilt, für die jeweils die zentralen Ziele erreicht wurden. In O1 ging es zunächst um die Charakterisierung der Komponenten der Einzeldetektoreinheit, insbesondere des Photonensensors, und des Materials der Innenfläche der Tanks. Zweitens führten wir spezielle Simulationen durch und verglichen sie mit Labormessungen, um die Reaktion einer solchen Einzeldetektoreinheit zu charakterisieren. Drittens entwickelten wir die Pipeline für die Duschrekonstruktion und führten detaillierte Charakterisierungsstudien durch, um das Layout des Arrays zu optimieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Estimating the potential of SWGO to measure the composition-dependent behaviour of the CR anisotropy. PoS(ICRC2023)486. 2023
R. G. Lang et al.
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Status of the SWGO air shower reconstruction using a template-based likelihood method. PoS(ICRC2023)593. 2023
F. Leitl, V. Joshi & S. Funk
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"The Southern Wide-field Gamma-ray Observatory: The Lake Approach and the Pulsar Wind Nebula HESS J1825-137" (PhD thesis)
H. Goksu
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Application of graph networks to a wide-field water-Cherenkov-based Gamma-ray Observatory. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2025(02), 066.
Glombitza, J.; Schneider, M.; Leitl, F.; Funk, S. & van, Eldik C.
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Detectability of Supernova remnants with the Southern Wide-field Gamma-ray Observatory. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2025(05), 096.
Scharrer, N.; Spencer, S.T.; Joshi, V. & Mitchell, A.M.W.
