Ausschöpfung des vollen Potentials von LOFAR-Messungen der Massenzusammensetzung kosmischer Strahlung mittels weiterentwickelter Monte-Carlo-Simulationen der Radioemissionen aus Luftschauern
Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Geladene Teilchen mit weitaus höheren Energien, als sie in von Menschen erschaffenen Beschleunigern wie dem Large Hadron Collider erzeugt werden können, erreichen die Erde ständig aus dem Weltraum. Ihr Ursprung ist eines der großen Rätsel der Astroteilchenphysik. Diese so genannten "kosmischen Strahlen" lösen in der Erdatmosphäre Teilchenkaskaden aus, die als "ausgedehnte Luftschauer" bezeichnet werden. Infolge der Wechselwirkung mit dem Erdmagnetfeld und der Ionisierung der Atmosphäre senden diese Teilchenschauer kurze Radioimpulse im Frequenzbereich von einigen zehn MHz bis zu einem GHz aus. Radioantennen-Arrays am Boden, insbesondere das Low Frequency Array (LOFAR) und in Zukunft der niederfrequente Teil des Square Kilometre Array (SKA), können diese Radiosignale messen, um die Ankunftsrichtung, Energie und Masse der Primärteilchen zu bestimmen. In diesem Projekt wurde Funktionalität zur Vorhersage solcher Radiosignale in den CORSIKA 8 Monte-Carlo-Code zur Simulation von Teilchenkaskaden in der Erdatmosphäre implementiert. Die Vorhersagen von zwei unabhängigen Formalismen für die Berechnung von Radiosignalen wurden verglichen und die Ergebnisse wurden gegenüber Simulationen mit dem Vorgängercode CORSIKA 7 sowie dem ZHAireS-Code validiert. Die gefundene sehr gute Übereinstimmung zwischen all diesen Implementierungen schafft Vertrauen in die Simulationsvorhersagen hinsichtlich ihrer fundamentalen Rolle bei der Bestimmung der absoluten Energie und der Masse der Teilchen der kosmischen Strahlung. Darüber hinaus wurden Parallelisierungstechniken für diese rechenintensiven Simulationen erforscht, eine parallelisierte „Proof-of-Principle“-Implementierung abgeschlossen und einem Benchmark unterzogen. Zu guter Letzt wurde eine neue Analysestrategie entwickelt und evaluiert, mit der die Masse eines Primärteilchens der kosmischen Strahlung nicht nur – wie bisher üblich – aus der Intensitätsverteilung der Radiosignale am Boden bestimmt werden kann, sondern auch unter Ausnutzung der Pulsform, welche im Frequenzspektrum der Funksignale kodiert ist. Während ein solcher Ansatz für LOFAR aufgrund der sehr resonanten und schmalbandigen Empfindlichkeit der verwendeten Antennen nicht gangbar ist, wurde für das kommende SKA die Machbarkeit demonstriert und eine Methode entwickelt, die weiter verfeinert werden kann, sobald erste SKA-Daten verfügbar sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A high-precision interpolation method for pulsed radio signals from cosmic-ray air showers. Journal of Instrumentation, 18(09), P09005.
Corstanje, A.; Buitink, S.; Desmet, M.; Falcke, H.; Hare, B.M.; Hörandel, J.R.; Huege, T.; Jhansi, V.B.; Karastathis, N.; Krampah, G.K.; Mitra, P.; Mulrey, K.; Nelles, A.; Nivedita, K.; Pandya, H.; Scholten, O.; Terveer, K.; Thoudam, S.; Trinh, G. & ter, Veen S.
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Monte-carlo simulation of the effective lunar aperture for detection of ultra-high energy neutrinos with LOFAR. The European Physical Journal C, 83(12).
Krampah, G. K.; Buitink, S.; Bray, J. D.; Corstanje, A.; Desmet, M.; Falcke, H.; Hare, B. M.; Hörandel, J. R.; Huege, T.; Jhansi, V. B.; Karastathis, N.; Mulrey, K.; Mitra, P.; Nelles, A.; Pandya, H.; Scholten, O.; ter Veen, S.; Thoudam, S. & Winchen, T.
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Reconstructing air shower parameters with MGMR3D. Physical Review D, 108(8).
Mitra, P.; Scholten, O.; Trinh, T. N. G.; Buitink, S.; Bhavani, J.; Corstanje, A.; Desmet, M.; Falcke, H.; Hare, B. M.; Hörandel, J. R.; Huege, T.; Karastathis, N.; Krampah, G. K.; Mulrey, K.; Nelles, A.; Pandya, H.; Thoudam, S.; de Vries, K. D. & ter, Veen S.
