RUBIK
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Die Suche nach dem Ursprung der hochenergetischen kosmischen Strahlung mit Energien oberhalb von PeV (1015 eV) ist immer noch eine offene Frage [1]. Vor kurzem konnte eine galaktische Quelle als möglicher Ursprung ausgemacht werden [2]. Neben dem unbekannten Ursprung bleiben auch der Beschleunigungsprozess oder mögliche Mechanismen des Energietransfers in dieser Größenordnung unklar. Eine Antwort auf solche Fragen könnte formuliert werden, wenn der Ursprung solcher Ereignisse bekannt wäre. Um diese Teilchen (≈ 90 % Protonen, ≈ 9 % Helium und ≈ 1 % schwerere Kerne) zu identifizieren, ist es notwendig, sie außerhalb unserer Atmosphäre zu beobachten, da die Teilchen mit den atmosphärischen Kernen wechselwirken. Das Ergebnis dieser Wechselwirkung ist die Erzeugung hochenergetischer Sekundärteilchen in einem Luftschauer, der sich bis zur Erdoberfläche erstreckt und je nach Energie des Primärteilchens einen Abdruckradius von mehreren Metern bis zu mehreren zehn Kilometern hat. Die Sekundärteilchen sind die einzige Möglichkeit, die Eigenschaften (kinetische Energie und Impulsvektor) des Primärteilchens auf der Erde zu rekonstruieren. Ein direkterer Weg wäre die Messung der Flugbahn des Primärteilchens mit Hilfe einer umlaufenden Detektorplattform im Weltraum.
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Daher schlagen wir den RUBIK-Detektor vor, der in Analogie zum berühmten Rubik-Würfel-Puzzle aus einer Reihe kleiner aktiver Würfel (1×1×1 cm3 ) aus Szintillationsmaterial besteht, die mit hochreflektierender Folie bedeckt sind. Um die Szintillationsantwort jedes Würfels zu erhalten, wird jede Reihe und Spalte von Würfeln von zwei wellenlängenverschiebenden Fasern (WLS) in senkrechter Richtung durchdrungen. Durch Stapeln von 25 Würfeln in 5 Schichten wird ein segmentiertes Detektionsvolumen geschaffen, das eine dreidimensionale Partikelflugbahn rekonstruieren kann. Die WLS-Fasern dienen als Lichtleiter und enden in einem lichtempfindlichen Silizium-Photomultiplier (SiPM) mit anschließender Ausleseelektronik und Signalverarbeitung. Die digitalisierten Signale jedes Kanals werden nach einem Schwellwertdiskriminator in einen Triggergenerator eingespeist, der einen Ereignisauslöser aktiviert, sobald eine sinnvolle Kombination und Vielzahl von Kanälen ein übereinstimmendes Signal oberhalb eines einstellbaren Schwellenwerts ergeben hat. Das spärliche Ereignismuster ermöglicht die 3D-Rekonstruktion einer Trajektorie durch das Detektorfeld. Für die spätere Korrelation mit anderen Detektoren in der Umlaufbahn oder am Boden wird ein Zeitstempel des Ereignisses mit einer Genauigkeit von einigen Nanosekunden gespeichert. Der Zeitstempel wird von einem lokalen Oszillator abgeleitet, der über das PPS-Signal des eingebauten GNSS-Empfängers mit der Trägerfrequenz der GNSS-Satelliten synchronisiert ist. Diese zeitliche Korrelation von Primärteilchen mit den Signalen anderer Primärdetektoren (in der Umlaufbahn) oder bodengestützter Schauerdetektoren, die die Signale der durch das detektierte Primärteilchen ausgelösten Sekundärteilchenkaskade auswerten, ist ein beispielloses Merkmal. Letztere Detektoren gibt es in Hülle und Fülle als Teil vieler verschiedener Forschungs- und Bürgerforschungsprojekte wie dem MuonPi-Projekt.
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| Die vorgeschlagene Nutzlast dient in erster Linie der Demonstration grundlegender wissenschaftlicher Erkenntnisse, wird aber mit Sicherheit wertvolle Daten liefern, die von anderen Wissenschaftlern und Behörden genutzt werden können, z.B. um Korrelationen zwischen Weltraumwetter und atmosphärischen Wetterphänomenen zu finden, wie z.B. den vermuteten Mechanismus des Thunderbolt Seeding. Die Korrelation zwischen Primärpartikeln und den erzeugten sekundären Luftschauern wird auch eine neue, direktere Beobachtungsmöglichkeit für die Schauererzeugungsmechanismen bieten, die als Erweiterung in ein Modell eines Transportsimulationsmodells (z.B. GEANT, MCNP, CORSIKA) eingespeist werden kann. Schließlich wurde darauf hingewiesen, dass diese ultrahochenergetischen Teilchenkaskaden Auswirkungen auf das globale Klima haben könnten [6]. |  |
[1] A.A Watson (2000), Ultra-high-energy cosmic rays: the experimental situation, Physics Reports, https://doi.org/10.1016/S0370-1573(00)00027-2
[2] Ke Fang, et. al. (2022). Evidence for PeV Proton Acceleration from FermiLAT Observations of SNR G106.3+2.7. Phys. Rev. Lett. 129, 071101
[3] https://muonpi.org
[4] https://irs.uni-stuttgart.de/en/research/satellitetechnology-and-instruments/smallsatelliteprogram/romeo
[5] Löfflera, et. al. (2022). Preliminary Design of the Radiation Protection of the ROMEO Satellite in the lower Medium Earth Orbit.
[6] Carslaw, K. S., Harrison, R. G., Kirkby, J. (2002). Cosmic rays, clouds, and climate. science, 298(5599), 1732-1737