Messung der höchsten Energien des kosmischen Elektronenspektrums mit Hilfe von Deep Learning

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Funk
• Fachliche Zuordnung: Astrophysik und Astronomie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 528261275

Das Spektrum der Elektronen der kosmischen Strahlung (CRe) bietet uns einzigartige Einblicke in nahegelegene Quellen hochenergetischer Teilchen (kosmische Strahlung, CRs). In diesem Projekt werden die Eigenschaften lokaler Quellen von CR-Elektronen untersucht und die Eigenschaften der Ausbreitung dieser Teilchen in unserer Umgebung eingeschränkt werden. Dies geschieht durch die Erweiterung des Energiespektrums auf 20 TeV. CR-Protonen (CRp) propagieren über große Entfernungen, während CRe mit Energien über 1 TeV aufgrund der Abkühlung lediglich aus Quellen innerhalb von etwa 1 kpc von der Erde stammen sollten. Aktuelle Messungen des CRe-Spektrums durch weltraum- und bodengestützte Instrumente reichen bis etwa 5 TeV. Messungen bei Energien über 5 TeV mit weltraumgestützten Teleskopen sind schwierig, da die effektive Fläche dieser Teleskope gering ist. Folglich ist die Messung des Spektrums bei größeren Energien nur mit bodengebundenen Teleskopen möglich, vor allem mit abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen (IACTs), wie H.E.S.S. und dem zukünftigen CTA. In diesem Antrag schlagen wir vor, 18 Jahre von H.E.S.S.-Daten mit dem Ziel zu nutzen, die Messung des CRe-Spektrums bis ~20 TeV zu erweitern (der genaue Wert hängt von den Annahmen über die Form des Spektrums jenseits von 5 TeV ab). Die bisher veröffentlichten Messungen des CRe-Spektrums mit H.E.S.S. umfassen 3 Jahre Datensammlung. Wir werden auch die Sensitivität des zukünftigen CTA Observatoriums für Messungen von CRe mit Methoden des Deep Learnings bestimmen. Um das volle Potenzial von IACTs auszuschöpfen, werden wir Teleskope verschiedener Typen verwenden (mittlere und große Teleskope in H.E.S.S. oder kleine, mittlere und große Teleskope in CTA). Eine solche hybride Analyse des CRe-Spektrums wurde bisher noch nie durchgeführt. Da der Fluss der hadronischen CRs oberhalb von 1 TeV um mehr als einen Faktor 1000 größer ist als der CRe-Fluss, wird ein hoher Unterdrückungsfaktor (~1000 oder besser) für hadronische CRs benötigt, während der Großteil der CRe erhalten bleiben sollte. Moderne Deep-Learning-Methoden (insbesondere graphische neuronale Netze) für die Trennung von hadronischen und leptonischen Schauern werden genutzt werden. Ebenfalls werden die Hauptquellen systematischer Unsicherheiten getestet werden, die mit (1) den hadronischen Wechselwirkungsmodellen, (2) den atmosphärischen Fluktuationen und den Veränderungen der Teleskopeigenschaften während der 18 Jahre der Beobachtungen und (3) der Wahl der Rekonstruktionsmethode gegeben sind. Das gemessene CRe-Spektrum wird es erlauben, die Supernova-Rate in der Nähe der Erde zu bestimmen, die Effizienz der CRe-Beschleunigung einzuschränken, sowie eine untere Grenze für die höchsten Energien von CRe in Supernovaüberresten zu bestimmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen