Prof. Dr. Julia K. Tjus (geb. Becker)

Theoretische Physik, insbesondere Plasma-Astroteilchenphysik

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Ruhr-Universität Bochum
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Forschung

In der Astroteilchenphysik beschäftigen wir uns mit der Frage nach dem Urprung der Kosmischen Strahlung. Die Kosmische Strahlung wurde Anfang des 20. Jahrhunderts als radioaktive Strahlung aus dem Weltall identifiziert.  Man geht davon aus, dass die Teilchen in astrophysikalischen Plasmen beschleunigt werden, welche sich als Schockwelle ausbreiten. Schockwellen kennt man aus vielen Zusammenhängen, zum Beispiel ist auch ein Tsunami eine Schockwelle. Ein astrophysikalisches Beispiel ist eine Supernovaexplosion: beim Ableben eines massereichen Sterns stößt dieser den  Großteil seines Plasmas von sich. Das schnelle Plasma trifft auf das dünne Medium zwischen den Sternen, das sogenannte Interstellare Medium. Genau wie bei einem Tsunami bildet sich eine Schockwelle aus. Während diese beim Tsunami aus einer Wasserwand besteht, handelt es sich in diesem Zusammenhang um eine Plasmawand.

In dieser extremen Situation können Teilchen zu besonders hohen Energien beschleunigt werden und kommen als Kosmische Strahlung auf der Erde an.

Allerdings ist dies bislang eine Theorie, welche experimentell noch nicht eindeutig  bewiesen werden konnte: Die beschleunigten Teilchen sind geladen und reagieren deshalb auf kosmische Magnetfelder. Die Bahn der Teilchen durch den Kosmos ist dadurch nicht mehr geradlinig, sondern unvorhersehbar. Das führt dazu, dass die Teilchen nicht mehr ihren Quellen zugeordnet werden können, wenn sie hier auf der Erde ankommen. Stattdessen ist die beobachtete Richtungsverteilung isotrop, das heißt, aus jeder Richtung kommt ungefähr gleich viel Strahlung. Es müssen alternative Möglichkeiten gefunden werden, den Ursprung der kosmischen Strahlung zu identifizieren.
In der Arbeitsgruppe Hochenergie-Astroteilchenphysik beschäftigen wir uns mit der neutralen Komponente der kosmischen Strahlung, die zur Identifikation herangezogen werden kann: Wenn die geladenen kosmischen Teilchen an ihrem Ursprungsort mit der umliegenden Materie wechselwirken, entstehen sekundäre Teilchen. Die erzeugten Teilchen sind u.a. Neutrinos und Photonen, welche neutral sind und daher nicht mit den kosmischen Magnetfeldern wechselwirken. Diese Teilchen fliegen geradlinig durch den Kosmos und können daher dazu verwendet werden, die Quellen der kosmischen Strahlung zu finden. Hierzu ist es wichtig zu berechnen, welche Quellen am besten für die Erzeugung von Sekundärteilchen geeignet sind. Basierend auf den theoretischen Modellen können dann Experimente zur Messung von Neutrinos und Photonen mit verschiedenen Analysestrategien verschiedenste Quellen untersuchen.

Neben den theoretischen Berechnungen ist unsere Arbeitsgruppe am IceCube Experiment am geographischen Südpol beteiligt - IceCube wird Ende dieses Jahres komplettiert und wird dann einen Kubikkilometer Eis umfassen, in welchem Neutrinos nachgewiesen werden. Ziel von IceCube ist es, Quellen der kosmischen Strahlung zu identifizieren.

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