Suche nach Korrelationen in den Ankunftsrichtungen hochenergetischer kosmischer Neutrinos und höchstenergetischer geladener kosmischer Strahlung

• Antragsteller: Professor Dr. Christopher Wiebusch
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie ; Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405982978

Selbst hundert Jahre nach der Entdeckung der geladenen kosmischen Strahlung bleibt ihr Ursprung ein Rätsel. Ein Hauptgrund dafür ist die Ablenkung in galaktischen und extra-galaktischen Magnetfeldern. Nur bei höchsten Energien erwartet man eine so kleine Ablenkung, dass die Richtungsinformation erhalten bleibt und abbildende Astronomie möglich wird. Trotz der angesammelten Messstatistik von mehr als einem Jahrzehnt mit den weltweit größten Observatorien Pierre Auger und Telescope Array konnten auch hier bisher keine Quellen identifiziert werden. Ein vielversprechender Ansatz ist die Korrelation hochenergetischer kosmischer Strahlung mit Beobachtungen neutraler Botenteilchen: Photonen und Neutrinos. Diese werden nicht abgelenkt und werden als Nebenprodukte aus der Nähe der Quellen kosmischer Strahlung erwartet. Während für hochenergetische Photonen oberhalb von einigen 10 TeV die Sichtweite auf das lokale Universum beschränkt ist, sind Neutrinos ideal, weil sie unbeeinträchtigt kosmologische Entfernungen im Universum durchdringen können. Jüngst hat das IceCube Neutrinoteleskop einen Fluss kosmischer Neutrinos mit Energien über 1PeV entdeckt. Der Ursprung ist bisher ungeklärt, jedoch deuten die weitgehend isotropen Ankunftsrichtungen auf einen extra-galaktischen Ursprung hin. Die Flussstärke ist mit der bekannten Waxman-Bahcall Grenze vereinbar, die aus der Messung der kosmischen Strahlung abgeleitet ist. Um einen mögliche Zusammenhang zwischen diesen Flüssen zu überprüfen und die Quellen zu identifizieren, analysieren Wissenschaftler von ANTARES, IceCube, Pierre Auger und Telescope Array gemeinsam ihre Daten auf Hinweise für Richtungskorrelationen. Als Resultat zeigten sich zunächst schwache Anzeichen für Korrelationen, die jedoch mit neueren Daten nicht verstärkt werden konnten. Wir schlagen daher eine Nachfolgeanalyse vor, in der die Datenstatistik, Richtungsgenauigkeit der Neutrinos und Analysemethoden deutlich verbessert werden. Die Statistik aller Datensätze wird um mindestens einen Faktor zwei vergrößert, die der Spur-artigen Neutrino-Ereignisse sogar um den Faktor vier. Die Analyse dieser Spur-artigen Ereignisse basiert auf einer neuen, Likelihood Methode, die weitgehend vom Magnetfeld unabhängig ist, indem die Richtung der Quellen als freier Parameter gefittet wird. Eine positive Messung wäre eine Sensation, da damit ein Teil der Quellen kosmischer Neutrinos relativ nah unserer Galaxie sein müssen. Über die gute Richtungsgenauigkeit der Neutrinos könnten diese identifiziert werden und im Rahmen einer Multimessenger Interpretation auch als Quellen der kosmischen Strahlung identifiziert werden. Auch ein negatives Resultat würde es erlauben, den Zusammenhang zwischen Neutrinos und kosmischer Strahlung in Hinblick auf Quellen und Propagationsmodelle einzuschränken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen