KIT-Simulation analysiert kosmische Strahlen

Wenn kosmische Strahlen auf die Erdatmosphäre treffen, erzeugen ihre hochenergetischen Primärteilchen einen „Luftschauer“ aus Sekundärteilchen. Diese Teilchenkaskaden geben Aufschluss über die physikalischen Eigenschaften der Primärteilchen, deren Herkunft Astrophysiker seit Generationen beschäftigt. Messungen am weltweit größten Radioteleskop LOFAR (Low Frequency Array), an denen das KIT beteiligt ist, bringen neue Erkenntnisse zu Masse und möglichen Quellen der Partikel, wie die Zeitschrift „Nature“ nun veröffentlicht.

„Nach zehn Jahren Forschung verstehen wir die Radiosignale dieser Teilchenkaskaden so gut, dass wir mit Hilfe detaillierter Messungen und deren Vergleich mit unserem Simulationscode auf die Eigenschaften der Primärteilchen rückschließen können“, berichtet Tim Huege vom Institut für Kernphysik des KIT. Die jüngsten Ergebnisse weisen  eine überraschend hohe Anzahl leichter Teilchen, Protonen und Heliumkerne nach. „Das wirft Fragen auf“, sagt Huege.

Denn in diesem relativ hohen Energiebereich wurden bislang bevorzugt schwere Teilchen gefunden, wie sie zum Beispiel als Überrest einer Supernova entstehen. Dies könnte unter anderem darauf hindeuten, dass die nun nachgewiesenen leichten Teilchen außergalaktischen Ursprungs sind oder – die spannendere Option – eine besonders energiereiche Quelle in unserer Galaxis existiert. Dass der Teilchenfluss aus galaktischen Quellen irgendwo aufhört und kosmische Strahlung bei den höchsten Energien nur in den energiereichsten extragalaktischen Quellen entstehen kann, weiß die Fachwelt schon länger. In welchen Energiebereichen aber der Übergang  liegt, ist bislang noch unbekannt.

Die nun vorliegende Analyse der LOFAR-Daten öffnet eine neue Perspektive auf diese Frage. Ohne den am KIT entwickelten Simulationscode CoREAS (CORSIKA-based Radio Emission from Air Showers) wären solche Forschungen nicht möglich. „Mit diesem Code werten wir die Messergebnisse der Radioantennen aus und interpretieren die Signale präzise“, erklärt Huege. Bis zu 100 Simulationen können notwendig sein, um ein Signal genau einzuordnen. „CoREAS wird von Astroteilchenphysikern weltweit eingesetzt, um Radioemissionen aus Luftschauern zu interpretieren.“

Der Artikel in der Zeitschrift Nature:
'A large light-mass component of cosmic rays at 1017–1017.5 electronvolts from radio observations', S. Buitink et al., DOI: 10.1038/nature16976


CORSIKA – An Airshower Simulation Program

KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik (KCETA)


jk, 02.03.2016