Doktorand Pascal Gutjahr entdeckt prompte Myonen und schließt seine Promotion mit Summa Cum Laude ab

Wir gratulieren Pascal Gutjahr herzlich zum erfolgreichen Abschluss seiner Promotion am Lehrstuhl für Astroteilchenphysik. Für seine Dissertation mit dem Titel „Chasing Prompt Muons: Unfolding the Atmospheric Muon Spectrum to Constrain the Prompt Flux using 12 Years of IceCube Data“ erhielt er die bestmögliche Bewertung summa cum laude.

In seiner Arbeit untersuchte er atmosphärische Myonen, die in von kosmischer Strahlung ausgelösten Luftschauern entstehen. Wenn hochenergetische kosmische Strahlung aus dem All auf die Erdatmosphäre trifft, wird eine große Zahl sekundärer Teilchen erzeugt, die zusammen einen Luftschauer bilden. Einige dieser Teilchen zerfallen in Myonen, die je nach Mutterteilchen, aus dessen Zerfall sie stammen, als konventionell oder prompt bezeichnet werden.

Konventionelle Myonen entstehen beim Zerfall geladener Pionen und Kaonen, welche vergleichsweise lange Lebensdauern und daher häufig mit der Atmosphäre wechselwirken können, bevor sie zerfallen. Prompte Myonen stammen dagegen vor allem aus dem Zerfall charmhaltiger Hadronen und werden als „prompt“ bezeichnet, weil diese Mutterteilchen sehr kurze Lebensdauern haben und typischerweise zerfallen, bevor sie mit der Atmosphäre wechselwirken können. Bei niedrigen Energien dominiert die konventionelle Komponente, während die prompte Komponente bei sehr hohen Energien größer ist. Die konventionelle Komponente ist vergleichsweise gut verstanden, während die prompte Komponente noch deutlich weniger gut erforscht und schwieriger zu messen ist. Über den Großteil des zugänglichen Energiebereichs ist sie deutlich kleiner als die konventionelle Komponente. Gleichzeitig nimmt die Zahl der Ereignisse der kosmischen Strahlung mit steigender Energie stark ab, sodass gerade der hohe Energiebereich, in dem prompte Myonen wichtiger werden, nur wenige Ereignisse enthält. Eine Messung dieser Komponente erfordert daher viele Jahre an Daten, eine verlässliche Rekonstruktion der Myonenergie und ein genaues Verständnis der Unsicherheiten des Detektors und der Simulationen.

Der prompte Myonenfluss ist aus zwei Gründen interessant. Erstens stellt er einen Untergrund für viele astroteilchenphysikalische Messungen dar, insbesondere bei der Suche nach astrophysikalischen Neutrinoquellen. Diese Analysen beinhalten die Identifikation von Neutrinos aus entfernten kosmischen Quellen. Dafür müssen atmosphärische Myonen und Neutrinos gut verstanden sein, um atmosphärische Untergründe von möglichen astrophysikalischen Signalen unterscheiden zu können. Zweitens tragen prompte Myonen Informationen über die Produktion charmhaltiger Teilchen in Luftschauern, da sie aus dem Zerfall dieser kurzlebigen Mutterteilchen entstehen. Die Messung des prompten Myonenflusses ermöglicht damit einen indirekten Zugang zur Charm-Produktion in der Erdatmosphäre. Dies ist besonders relevant für den kinematischen Vorwärtsbereich von Luftschauerwechselwirkungen, in dem sekundäre Teilchen nahe der Richtung der einfallenden kosmischen Strahlung produziert werden und der für Beschleunigerexperimente nicht zugänglich ist.

Für seine Analyse nutzte Gutjahr 12,12 Jahre an Daten des IceCube-Neutrino-Observatoriums, um den atmosphärischen Myonenfluss zu messen. Er rekonstruierte das atmosphärische Myonenenergiespektrum an der Oberfläche im Energiebereich von 10 TeV bis 15 PeV und erweiterte damit frühere IceCube-Messungen um etwa eine Größenordnung in Energie. Eine Herausforderung dieser Messung besteht darin, dass atmosphärische Myonen IceCube häufig nicht als einzelne Teilchen erreichen, sondern als Bündel mehrerer Myonen aus demselben Luftschauer. Für die prompte Komponente ist das energiereichste Myon in einem solchen Bündel besonders wichtig, da der prompte Beitrag bei hohen Energien relevanter wird. Gutjahr nutzte daher eine auf maschinellem Lernen basierende Methode, um dieses energiereichste Myon zu rekonstruieren. Außerdem erzeugte er neue CORSIKA-Simulationen, in denen Myonen nach konventionellem oder promptem Ursprung klassifiziert wurden.

Gutjahr verglich den gemessenen Myonenfluss mit mehreren Modellen, die sich zum Beispiel darin unterscheiden, wie sie die einfallende kosmische Strahlung und die Teilchenwechselwirkungen in der Atmosphäre beschreiben. Eines der getesteten Modelle zeigte besonders gute Übereinstimmung mit den Daten bei hohen Energien. Für dieses Modell fand die Analyse Hinweise auf den prompten atmosphärischen Myonenfluss mit einer Signifikanz von 4,4 Standardabweichungen.

Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse über die Charm-Produktion im kinematischen Vorwärtsbereich von Luftschauern und könnten dazu beitragen, das sogenannte Myondefizit in Luftschauerexperimenten besser zu verstehen. Wir gratulieren Pascal herzlich zu dieser hervorragenden Leistung und wünschen ihm für seine weitere wissenschaftliche Laufbahn alles Gute.