Siegener Physiker erforschen kosmische Strahlung

Wissenschaftler der Universität Siegen haben für ihre Forschung am Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien mehr als eine halbe Million Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) erhalten. Damit können sie ihre Arbeit bis zunächst 2026 fortsetzen.

Wissenschaftler*innen aus aller Welt erforschen am Pierre-Auger-Observatorium in Argentinien kosmische Strahlung, die aus dem Weltall auf die Erdatmosphäre trifft. Dabei handelt es sich um hochenergetische Teilchen, deren Natur und Ursprung noch unbekannt sind. Seit fast 20 Jahren sind auch Wissenschaftler der Universität Siegen an diesem weltweit größten Experiment zur Messung kosmischer Strahlung beteiligt. Im Verbund mit vier weiteren deutschen Universitäten arbeiten sie sowohl an der physikalischen Interpretation der Messdaten als auch an der Weiterentwicklung der Messtechnik. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) stellt der Uni Siegen dafür nun bis 2026 weitere knapp 600.000 Euro Fördermittel zur Verfügung.

„Wir freuen uns sehr über diese Förderung, die auch eine Bestätigung unserer bisherigen Forschungsleistungen am Pierre-Auger-Observatorium ist“, sagt Projektleiter Prof. Dr. Markus Cristinziani vom Department Physik der Uni Siegen. Zusammen mit seinen Kollegen Prof. Dr. Markus Risse und Dr. Marcus Niechciol ist er an dem Observatorium in der argentinischen Pampa tätig. Auf einer Fläche, die fast dreimal so groß ist wie der Kreis Siegen-Wittgenstein, sind dort mehr als 1.600 mit Detektoren ausgestattete Wassertanks installiert. Sie können die kosmische Strahlung zwar nicht direkt messen, wohl aber von der Strahlung ausgelöste sogenannte „Luftschauer“. Dabei handelt es sich um kleinste Teilchen, die wie ein Schauer auf den Erdboden gelangen und dabei in den Wassertanks kurze Lichtblitze erzeugen, die von den Detektoren erfasst werden können.

Die Universität Siegen ist in der kommenden Förderperiode an einem Upgrade der Messtechnik beteiligt: Sämtliche Detektoren wurden bereits mit Radio-Antennen ausgestattet um neben den Lichtblitzen im Wasser auch Radiosignale messen zu können, die während der Luftschauer abgegeben werden. „In den kommenden drei Jahren möchten wir die Elektronik zur Auslesung und Kalibrierung der Antennen noch weiter aufrüsten, um noch präzisere Messergebnisse zu erhalten“, erklärt Prof. Cristinziani. Die entsprechende Technik soll zunächst im Siegener Labor entwickelt und anschließend vor Ort in Argentinien getestet werden.

Im Rahmen eines zweiten Hardware-Projektes arbeiten die Siegener Physiker außerdem daran, die Elektronik sowie das System zur Datenerfassung so zu ertüchtigen, dass damit auch terrestrische Gamma-Blitze gemessen werden können. Dabei handelt es sich um plötzliche Blitze sehr energetischer Gamma-Strahlen. Die Forscher möchten unter anderem herausfinden, ob es einen Zusammenhang zwischen Gamma-Blitzen und Gewittern gibt. Um das überprüfen zu können, müssen die Messungen jedoch über einen längeren Zeitintervall durchgeführt werden, als mit dem bisherigen Stand der Technik möglich.

Neben der technischen Weiterentwicklung sind die Siegener Wissenschaftler auch an der physikalischen Analyse der Messdaten beteiligt. Ihre Expertise liegt hier insbesondere in der Suche nach winzigen Lichtteilchen, den sogenannten ultrahochenergetischen Photonen – in diesem Bereich ist Siegen weltweit führend. „Dass solche Photonen bei kosmischen Prozessen eine Rolle spielen, ist physikalisch bewiesen. In der Praxis ist es bisher aber noch nicht gelungen, ein solches Photon auch tatsächlich bei den höchsten Energien zu messen“, erklärt Dr. Marcus Niechciol. Er und seine Kollegen möchten die Suche nach Photonen daher intensivieren: Dazu soll ein Analyseprogramm implementiert werden, das Ereignisse registriert, zu denen Photonen auftreten könnten – und dann vollautomatisch die entsprechenden Messdaten auswertet.

In einer zweiten Analyselinie soll gezielt nach Punktquellen von Photonen gesucht werden – also winzigen Punkten am Himmel, die auf den Ursprung eines Photons hinweisen. Durch ein technisches Upgrade möchten die Wissenschaftler die Punktquellen-Suche auf 24 Stunden pro Tag ausweiten. Bisher ist sie nur nachts möglich. „Wenn die Natur uns gnädig ist, könnte es uns tatsächlich in absehbarer Zeit gelingen, ein ultrahochenergetisches Photon zu finden“, hofft Niechciol. „Das wäre ein riesiger Erfolg und ein wichtiges Puzzleteil, um das Rätsel der kosmischen Strahlung eines Tages lüften zu können.“

Hintergrund:
Die Universität Siegen forscht bereits seit 2004 am Pierre-Auger-Observatorium. Die Wissenschaftler arbeiten dabei im Verbund mit Kolleg*innen der Universität Wuppertal, der RWTH Aachen, dem Karlsruher Institut für Technologie und der Universität Hamburg. Insgesamt sind am Pierre-Auger-Observatorium rund 400 Wissenschaftler*innen aus 18 verschiedenen Nationen beteiligt.

Kontakt:
Prof. Dr. Markus Cristinziani (Projektleiter)
Tel.: 0271 740 3629
E-Mail: Markus.Cristinziani@uni-siegen.de

Dr. Marcus Niechciol
Tel.: 0271 740 3717
E-Mail: niechciol@physik.uni-siegen.de

Fotos:  Pierre-Auger-Observatorium, S. Saffi (University of Adelaide); Pierre-Auger-Observatorium