Erdgebundene Messung der kosmischen Strahlung höchster Energie bis über 10²⁰ eV

Abstract

Das Pierre-Auger-Observatorium dient der Messung der höchstenergetischen Teilchen der kosmischen Strahlung. Es besteht aus 1660 Wasser-Cherenkov-Detektoren und 27 Fluoreszenzteleskopen für den Nachweis der Teilchenkaskaden, die sog. ausgedehnten Luftschauer, welche von der kosmischen Strahlung in der Atmosphäre erzeugt werden. Mit einer Fläche von 3000 km2 ist es das weltweit größte Instrument dieser Art. Die Nutzung von zwei komplementären Nachweismethoden erlaubt es, eine bisher unerreichte Apertur und Datenqualität im Bereich höchster Teilchenenergien zu erreichen. In den letzten Jahren hat sich das Auger-Observatorium zu einem wesentlichen Element der internationalen Multi-Messenger-Forschungslandschaft zur Untersuchung des Universums durch die Messung von kosmischer Strahlung, Photonen, Neutrinos und Gravitationswellen entwickelt. Im Berichtszeitraum konzentrierten sich die Arbeiten im Wesentlichen auf den Abschluss der Umsetzung des Upgrades des Auger-Observatoriums (AugerPrime). Hierfür wurden verschiedene neue Detektorkomponenten in Deutschland produziert, getestet und anschließend nach Argentinien geschickt, und dort im Observatorium installiert. Es wurden 795 von insgesamt 1520 Szintillatormodulen von den deutschen Gruppen gebaut und nach Argentinien zur Installation verschickt. Hinzu kommen noch die PMTs und ein Teil der Elektronik für die Auslese der Szintillatormodule. Die Installation der Szintillatormodule, der neuen Ausleseelektronik und des zusätzlichen PMTs konnten zum Ende des Berichtszeitraums abgeschlossen werden. Die Arbeiten zum Aufbau der Radioantennen, welche erst später zu AugerPrime hinzugefügt wurden, nähern sich dem Abschluss, werden aber noch bis ins Jahr 2024 andauern. Die hardware-orientierten Arbeiten wurden von der Entwicklung neuer Analysemethoden für die Auswertung der AugerPrime-Daten begleitet, um die zunehmend komplexen Datenströme optimal auszuwerten. Insbesondere die Ausnutzung von Universalitätseigenschaften von Luftschauern und die Anwendung von tiefen neuronalen Netzen haben sich als sehr nützlich erwiesen. Die Weiterentwicklung von hadronischen Wechselwirkungsmodellen und Monte-Carlo-Simulationen von Luftschauern als auch der zu erwartenden Detektorantwort, welche einen weiteren Schwerpunkt der Arbeiten darstellte, bildet hierbei eine wesentliche Grundlage. Die durch die Verbundforschung geförderten deutschen Gruppen an den Universitäten Aachen, Hamburg, Karlsruhe und Wuppertal leisteten zusammen mit den zwei Arbeitsgruppen des Großforschungsbereichs des KIT (Institute IAP und IPE) zumeist federführende Beiträge zu den genannten Aktivitäten als auch zu Atmosphärenmessungen, Kalibrierung der Fluoreszenzteleskope und zur Experimentsteuerung. Die Auger-Gruppe der Universität Siegen, welche in der Berichtsperiode nicht gefördert wurde, beteiligte sich trotzdem mit Analysen an den Arbeiten der deutschen Gruppen. Durch die Corona-Pandemie konnten ab März 2020 keine Reisen nach Argentinien und auch keine Vor-Ort-Arbeiten von den Projektteilnehmern durchgeführt werden. In dieser Zeit wurden alle Kollaborationstreffen, Workshops und Konferenzen online abgehalten. Dank der mit BMBF-Förderung aufgebauten Remote-Control-Räume in verschiedenen Instituten konnte die Datennahme, bis auf eine wenige Tage dauernde Unterbrechung, für den gesamten Zeitraum der Pandemie sichergestellt werden. Auch die Installation von AugerPrime-Detektoren verzögerte sich nur geringfügig, wobei sich die zeitnahe Beschaffung von Elektronikkomponenten für die Upgrade-Antennen als sehr schwierig erwies. Im März 2022 fand erstmals wieder ein Kollaborationstreffen in Argentinien statt. Im selben Jahr wurde ein Analsyeworkshop mit mehr als 140 Teilnehmern in Wuppertal organisiert. Mit der großflächigen Installation der neuen Elektronik endete die Phase I des Auger-Observatoriums. Um die Umsetzung und die Wirksamkeit des Upgrades sowie die erforderliche Messzeit für die Phase II zu bestimmen, wurde vom Auger Finance Board ein internationales Gutachterkomitee beauftragt, eine Evaluation im November 2023 in Malarge durchzuführen. Die Gutachter bestätigten die sehr erfolgreiche Umsetzung von AugerPrime und empfahlen mit Nachdruck eine Messzeitverlängerung bis mindestens 2035. Im Berichtszeitraum wurden 33 wissenschaftliche Artikel der Pierre-Auger-Kollaboration in begutachteten internationalen Zeitschriften veröffentlicht. Darunter sind eine abschließende Auswertung der Ankunftsrichtungsverteilung für den Auger-Datensatz der Phase I, ein Katalog der höchstenergetischen Luftschauer, welche mit dem Auger-Observatorium gemessen wurden, und erstmalig auch Datenanalysen mit neuronalen Netzen. Weitere Veröffentlichungen betreffen Multi-Messenger-Analysen im Zusammenhang mit Neutrinoteleskopen und Gravitationswellenbeobachtungen sowie die Implikationen der Auger-Schranken auf Photonen- und Neutrinoflüsse. Alle Artikel wurden im “open access”-Modus veröffentlicht. Der große Erfolg des Pierre-Auger-Projekts wird auch durch die kontinuierlich ansteigende Zahl von inzwischen über 27 000 Zitationen sowie an der außerordentlich hohen Anzahl von inzwischen über 150 Zitationen je Journal-Publikation der Auger-Kollaboration sichtbar. Hiermit nimmt die Kollaboration einen Spitzenplatz in der Astroteilchenphysik ein. Hinzu kommen 23 referierte Einzelpublikationen der deutschen Gruppen zu technischen Entwicklungen oder Analysen und Interpretationen in direktem Zusammenhang mit dem Projekt. Im Berichtszeitraum fanden zwei ICRC-Konferenzen statt, zu welchen die Auger-Kollaboration jeweils zu einem Highlight-Vortrag eingeladen wurde. An den beteiligten Universitäten wurden im Berichtszeitraum 26 Dissertationen und 43 Master- und Bachelorarbeiten zum Projekt erfolgreich abgeschlossen. Datei-Upload durch TIB