Lösen des Myon-Rätsels in hochenergetischen Luftschauern mit dem LHCb Experiment

• Antragsteller: Dr. Hans Dembinski
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449728698

Hochenergetische kosmische Strahlen sind Boten des extremen nicht-thermischen Universums. Diese Strahlen lassen sich nur durch die Beobachtung von Luftschauern studieren, ausgedehnte Teilchenkaskaden entstanden durch Wechselwirkungen mit der Erdatmosphäre. Die Quellen der hochenergetischen kosmischen Strahlen sind unklar. Der Schlüssel um die Quellen einzugrenzen ist die Messung der Elementzusammensetzung der Strahlen. Die Zusammensetzung lässt sich aus beobachtbaren Luftschauerparametern ableiten, allerdings werden dafür genaue Simulationen der Luftschauer benötigt. Studien haben gezeigt, dass einer der zwei wesentlichen Luftschauerparameter, die Zahl der produzierten Myonen, nicht korrekt durch aktuelle Simulationen beschrieben wird. Um dieses sogenannte Myon-Rätsel zu lösen werden präzise Messungen der inklusiven Produktionsquerschnitte beim LHCb Experiment für prompte Pionen, Kaonen, und Protonen mit einer Genauigkeit von wenigen Prozent benötigt, sowie das Verhältnis der prompten elektromagnetischen und hadronischen Energieflüsse. Diese Analysen müssen sowohl in proton-proton Kollisionen bei 13 TeV als auch in proton-Blei Kollisionen bei 8.16 TeV durchgeführt werden um nukleare Effekte zu studieren. Messungen mit 5 % Genauigkeit lassen sich realistisch erreichen und würden die aktuelle Modellspanne um den Faktor fünf verringern. Wir wollen diese Messungen durchführen und ihren direkten Effekt auf Luftschauersimulationen berechnen. Projektionen haben gezeigt, dass diese Verbesserung das Myon-Rätsel lösen können und damit die Mehrdeutigkeit in der aus Luftschauern abgeleiteten Elementzusammensetzung der hochenergetischen kosmischen Strahlung. Dies würde ein Kernproblem der experimentellen Astroteilchenphysik lösen, mit enormer Wirkung auf aktuelle und zukünftige Experimente in diesem Gebiet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen