804 Beschleunigung und Propagation der kosmischen Strahlung

Die kosmische Strahlung wurde 1912 von Victor Hess entdeckt. Im darauffolgenden Jahrhundert konnten verschiedene Experimente das Energiespektrum dieser Teilchen mit großer Genauigkeit und bis hin zu den höchsten jemals auf der Erde gemessenen Teilchenenergien vermessen. Das sich daraus ergebende mehrfach gebrochene Potenzgesetz, das sich über mehr als zehn Größenordnungen in der Energie erstreckt, wird verschiedenen astrophysikalischen Quelltypen (wie Supernovae, Gamma-Ray Bursts, Aktive Galaktische Kerne usw.) zugeordnet. Ein zentraler Ansatz zur Beschreibung des hochenergetischen Teils des Spektrums kosmischer Teilchen an der Quelle ist der sogenannte Fermi-Beschleunigungsmechanismus. Die anschließende extragalaktische Propagation zur Erde formt dieses Energiespektrum zusätzlich. Ziel dieses theoretischen Praktikumsversuchs ist es, (i) das Energiespektrum kosmischer Teilchen an der Quelle analytisch zu berechnen und anschließend (ii) mit Hilfe von Monte-Carlo-Methoden zu einem Beobachter zu propagieren. In diesem Zusammenhang wird das numerische Programm CRPropa3 vorgestellt und angewendet. Daher sind grundlegende Programmierkenntnisse in Python erforderlich, sowie entweder ein Zugang zu den Rechnern im Südpol (NB 7/74) oder ein eigener Laptop mit einer installierten (und einsatzbereiten) aktuellen Version von CRPropa. Abschließend soll das resultierende Spektrum mit Hochenergie-Messungen verglichen werden. Der Versuch wird in den folgenden drei Phasen durchgeführt: 1. Vorbereitungsphase, in der die Themen Fermi-Beschleunigung und kosmische Strahlung erarbeitet werden sollen. 2. Durchführungsphase, in der am Institut unter direkter Betreuung verschiedene Aufgaben zur intergalaktischen Propagation ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung durchgeführt werden. 3. Nachbereitungsphase, in der die einzelnen Schritte und Ergebnisse in Form eines Protokolls zusammengefasst werden

1. Die Vorbereitungsphase, wo sich in die Thematik der Fermi-Beschleunigung sowie der kosmischen Strahlung eingelesen werden soll.

2. Die Durchführungsphase, wo am Lehrstuhl unter direkter Betreuung und Anleitung die beiden Aufgabenteile durchgeführt werden.

3. Die Nachbereitungsphase, wo die durchgeführten Schritte und Ergebnisse in Form eines Protokolls zusammengefasst werden.

Contact person: Dr. Björn Eichmann

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Cosmic rays were discovered in 1912 by Victor Hess. In the following century, various observatories were able to measure the energy spectrum of these particles with great precision and up to the highest particle energies ever recorded on Earth. The resulting broken power-law spectrum, which spans more than ten orders of magnitude in energy, is attributed to different types of astrophysical sources (such as supernovae, gamma-ray bursts, active galactic nuclei, etc.). A central approach to describing the high-energy part of the cosmic particle spectrum at the source is the so-called Fermi acceleration mechanism. The subsequent extragalactic propagation to Earth further shapes this energy spectrum. The aim of this theoretical lab experiment will be to (i) analytically calculate the energy spectrum of cosmic particles at the source and then (ii) propagate it to an observer using Monte Carlo methods. In this context, the numerical program CRPropa3 will be introduced and applied. Therefore, some basic programming skills in Python are needed and moreover, either an account for the computers in the Südpol (NB 7/74) or an own laptop with an installed (and ready-to-use) current version of CRPropa. Finally, the resulting spectrum will be compared with high-energy measurements. The experiment will be conducted in the following three phases:

1. Preparation phase, during which the topics of Fermi acceleration and cosmic rays should be studied.

2. Execution phase, during which different tasks about the intergalactic propagation of ultra- high-energy cosmic rays will be carried out at the institute under direct supervision and guidance.

3. Post-processing phase, during which the steps and results will be summarized in the form of a report

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