Astroteilchenphysik

In der Astroteilchenphysik werden die seltenen hochenergetischen Botenteilchen, die von astronomischen Objekten (Sterne, Galaxien, Schwarzen Löchern…) ausgesandt werden, mit empfindlichen Teleskopen nachgewiesen. Je nach Stand des Wissens über das betrachtete Objekt, über die Wechselwirkungen der Botenteilchen und über die Strahlungs- und Materiedichte zwischen uns und dem Objekt sind die Ergebnisse entweder in der Astrophysik, der Teilchenphysik oder der Kosmologie relevant

In Dortmund

Im Zentrum des Interesses der Arbeitsgruppe Astroteilchenphysik steht die Analyse von Signalen von extragalaktischen Quellen, insbesondere von den Kernen aktiver Galaxien (AGN) und kurzzeitigen Gamma-Strahlungsausbrüchen (GRBs). In beiden Objekttypen werden geladene Elektronen und Protonen in einem „Ping-Pong“ zwischen irregulären Magnetfeldern auf ultrahohe Energien beschleunigt. Bei diesem Vorgang werden zwei Typen von neutralen hochenergetischen Teilchen erzeugt: Gammas und Neutrinos.

Neutrinos und IceCube

Zum Nachweis der Neutrinos ist die Gruppe an dem internationalen Südpolteleskop IceCube beteiligt. Dieses Teleskop wird nach vollständigem Ausbau aus einem Volumen von etwa einem Kubikkilometer Eis unter der Oberfläche am geographischen Südpol bestehen, in dem hochempfindliche Lichtverstärker nach jenem schwachen bläulichen Leuchten (Cherenkov-Licht) suchen, das nur von Wechselwirkungsprodukten von Neutrinos, die vorher die Erde von Nord nach Süd durchquert haben, erzeugt worden sein kann.

Gammas und  MAGIC

Die Gammas werden in einer internationalen Kollaboration mit einem System aus zwei Teleskopen, „MAGIC“, mit einer Spiegelgröße von jeweils 17 m Durchmesser nachgewiesen. Dieses Teleskopsystem ist auf der kanarischen Insel La Palma auf dem Roque de los Muchachos in einer Höhe von 2200 m aufgebaut. Hier wird in klaren dunklen Nächten atmosphärisches Cherenkov-Licht von den Teilchen aufgezeichnet, die direkt oder indirekt bei hochenergetischen Gamma Wechselwirkungen produziert werden.

“Inverse Probleme“ und Rohdatenanalyse

In beiden Experimenten arbeiten wir bei Anwendung und Entwicklung von modernen mathematischen Methoden daran, die Energieabhängigkeit des primären Teilchenflusses aus den mit den Teleskopen gemessenen Rohdaten, den digitalisierten Zeiten, Ladungen und Spannungen zu rekonstruieren und dann physikalisch zu interpretieren. Die Entwicklung neuer Methoden erfolgt in Zusammenarbeit mit der Fakultät für Mathematik der Ruhr-Universität Bochum und der Fakultät Statistik der TU Dortmund.

Berechnung von Teilchenbeschleunigung und –propagation im GRID

In einem gemeinsamen Theorie-Projekt mit der Ruhr-Universität Bochum wird der zeitliche Verlauf der Erzeugung und Ausbreitung von Gammas und Neutrinos mit Simulationsverfahren untersucht.

Die großen Datenmengen, die zu diesem Zweck erzeugt und analysiert werden müssen, werden im Rahmen des Computing-GRIDs, eines grossräumigen Rechnernetzes, für das an der TU Dortmund erhebliche Ressourcen zur Verfügung gestellt wurden, bearbeitet.

DWARF und die vollständige Beobachtung

Da sich der Fluss von Teilchen aus AGN sehr schnell ändert, wäre es wünschenswert, wenn sie nicht nur in den wenigen Stunden einer Nacht und mit großen Pausen sondern permanent beobachtet werden könnten. Daher arbeitet unsere Arbeitsgruppe zusammen mit der Universität Würzburg, der ETH Zürich, der Universität Zürich, der Universität Genf, dem Paul Scherer Institut Villingen und der École Polytechnique Fédérale, Lausanne an einem Hochtechnologie-Prototypen eines robotischen Teleskopes. Ein um die Erde verteilter Ring solcher Teleskope kann sicherstellen, dass die Quellen permanent beobachtet werden können.

Das Gesamtbild: Physik und Philosophie

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Philosophie der TU Dortmund bemühen wir uns in gemeinsamen Projekten Fragen der Philosophie der Naturwissenschaften zu beantworten. Insbesondere werden gemeinsame Lehrveranstaltungen durchgeführt. Gemeinsam sind wir auch in der Arbeitsgruppe Philosophie der Deutschen Physikalischen Gesellschaft an der Organisation der Frühjahrstagung und des Herbstworkshops der Arbeitsgruppe beteiligt.

Treffpunkt Quantenmechanik: Schule und Universität, Physik und Philosophie

In den von der Robert-Bosch-Stiftung geförderten Schülerpraktikum Treffpunkt Quantenmechanik bemühen wir uns darum, die Schule mit der Universität und das physikalische Experiment mit seiner (auch philosophischen) Interpretation zu verbinden.

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