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  • The digital revolution and the connected, ever-growing technical progress have changed science and research fundamentally in the last decades. The versatile possibilities offered by modern computer analysis and simulations have become an indispensable aid for planning, building, and evaluating scientific experiments and for inventing new theories. The research of highly energetic, cosmic radiation, which is hitting relentlessly the atmosphere of the Earth, could benefit greatly from this development. Especially the detection of particles with very high energies (E > 10^19 eV) requires experimental setups featuring tremendous detection volumes, caused by their vanishingly low fluxThe digital revolution and the connected, ever-growing technical progress have changed science and research fundamentally in the last decades. The versatile possibilities offered by modern computer analysis and simulations have become an indispensable aid for planning, building, and evaluating scientific experiments and for inventing new theories. The research of highly energetic, cosmic radiation, which is hitting relentlessly the atmosphere of the Earth, could benefit greatly from this development. Especially the detection of particles with very high energies (E > 10^19 eV) requires experimental setups featuring tremendous detection volumes, caused by their vanishingly low flux (1 particle per km^2 per century). Instead of a direct observation of the primary particles it is therefore more reasonable to pursue a detection of the particle showers created by the interaction of the primary particles with the molecules of the atmosphere. The fluorescence and Cherenkov photons emitted in this process can be spotted by suitable detectors and allow a reconstruction of energy, direction, and nature of the primary particle. Significant achievements could be made in this field of research thanks to the construction of large-scale, ground-based detector arrays and due to a better understanding of the development of particle showers by performing extensive computer simulations. Yet, the determination of the exact points of origin and of the mechanisms which accelerate cosmic rays remain very problematic. Perturbing interactions of the charged particles on their way to Earth, e.g., the deflection by magnetic fields, pose substantial problems in this area. Moreover it is assumed that the so-called GZK-Effect is the chief cause for the evanescently low flux of cosmic rays in the very high energy regime. It causes a high energy particle to interact with the cosmic microwave background and decays into secondary particles with lower energies. Conclusive confirmation of this theory and further investigation of highly energetic cosmic rays, however, require more high-quality data in this energy range. The JEM-EUSO mission belongs to the next generation of cosmic ray detectors and will push the available detector volume by a remarkable amount. The mission concept follows an approach similar to the ground-based detector arrays and relies on the observation of both fluorescence and Cherenkov signatures produced by air showers. Yet, the JEM-EUSO telescope will be attached to the outer hull of the japanese research module (KIBO) of the International Space Station (ISS) and observe the atmosphere from above. The thus achieved, significantly larger detection volume is expected to improve the chance to detect particles of even the highest energies (E ~ 10^20 eV) by a great amount, hence allowing for a more accurate determination of their origins. Unfortunately, the launch of JEM-EUSO, first planned for 2017, had to be held off indefinitely. Yet, with Mini-EUSO, K-EUSO, and EUSO-SPB, several smaller missions are being prepared for launch in the next years. The experience gained with these projects will also help to finalize the main mission. During the maiden flight of the EUSO-Balloon pathfinder project in Aug. 2014 in Timmins, Canada, prototypes of the JEM-EUSO hardware and the observation strategy were put to the test for the first time. Compared to JEM-EUSO, the considerably smaller focal plane, the low flight altitude, and the short flight duration (< 6 hrs.) made an actual observation of a "real" particle shower fairly unlikely, even during good weather conditions. For this reason a helicopter, equipped with a UV-laser, circled under the balloon and simulated light pulses which could be spotted by EUSO-Balloon. In the course of the EUSO-Balloon mission, the software tools developed in this work for the conversion, visualization, and (near) real-time analysis of detector raw data could come into operation. Having been programmed specifically with the design and the requirements of the EUSO-Balloon electronics in mind, the tools were already extremely useful during the hardware development phase for low-level testing and calibration of different detector components. In addition, the software helped with monitoring and coordinating tasks during the actual balloon flight and proved a great help especially with sorting and analysing the laser data after the flight had ended. The successful conclusion of the EUSO-Balloon project could prove the proper operation of the detector prototype and the feasibility of the mission concept; furthermore the developed software could be fully tested and worked as intended. The flexible design of the tools allows their easy adaptation to the requirements of the JEM-EUSO main mission, or to further pathfinder missions. Additionally, the whole project served as a descriptive example for the importance of computer based real-time analysis.show moreshow less
  • Die Digitale Revolution und der damit einhergehende technische Fortschritt haben Wissenschaft und Forschung in den letzten Jahrzehnten nachhaltig verändert. Die vielfältigen Möglichkeiten moderner Computeranalyse und -simulationen sind ein unverzichtbares Hilfsmittel bei der Planung, Durchführung und Auswertung wissenschaftlicher Experimente und bei der Ausarbeitung neuer Theorien geworden. Die Erforschung hochenergetischer, kosmischer Strahlung, die unablässig auf die Erdatmosphäre trifft, hat deutlich von dieser Entwicklung profitiert. Insbesondere die Detektion von Teilchen mit sehr hohen Energien (E > 10^19 eV) erfordert Versuchsaufbauten mit extrem großem Detektionsvolumen, bDie Digitale Revolution und der damit einhergehende technische Fortschritt haben Wissenschaft und Forschung in den letzten Jahrzehnten nachhaltig verändert. Die vielfältigen Möglichkeiten moderner Computeranalyse und -simulationen sind ein unverzichtbares Hilfsmittel bei der Planung, Durchführung und Auswertung wissenschaftlicher Experimente und bei der Ausarbeitung neuer Theorien geworden. Die Erforschung hochenergetischer, kosmischer Strahlung, die unablässig auf die Erdatmosphäre trifft, hat deutlich von dieser Entwicklung profitiert. Insbesondere die Detektion von Teilchen mit sehr hohen Energien (E > 10^19 eV) erfordert Versuchsaufbauten mit extrem großem Detektionsvolumen, bedingt durch deren verschwindend niedrigen Fluss (1 Teilchen pro km^2 pro Jahrhundert). Anstelle einer direkten Messung der Primärteilchen bietet sich deshalb eine Beobachtung der sogenannten Luftschauer an. Diese Teilchenkaskaden entstehen durch die Wechselwirkung der Primärteilchen mit den Molekülen der Erdatmosphäre. Das dabei ausgesandte Fluoreszenz- und Cherenkovlicht kann mit Hilfe geeigneter Apparate gemessen werden und ermöglicht eine Rekonstruktion von Energie, Flugrichtung und Art des Primärteilchens. Durch den Bau großflächiger, bodengebundener Detektorfarmen und durch besseres Verständnis der Teilchenschauer dank computergestützter Simulationen konnten in diesem Forschungsbereich große Fortschritte erzielt werden. Jedoch bestehen weiterhin Schwierigkeiten in der Aufgabe, den genauen Ursprung und mögliche Beschleunigungsmechanismen kosmischer Strahlung zu bestimmen. Störende Wechselwirkungen auf dem Weg zur Erde, z.B. durch Ablenkung der geladenen Teilchen durch Magnetfelder, erschweren diese Ziele erheblich. Außerdem wird angenommen, dass der GZK-Effekt zum niedrigen Fluss kosmischer Strahlung im Bereich sehr hoher Energien entscheidend beiträgt. Dabei interagiert das hochenergetische Teilchen mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund und zerfällt in Sekundärteilchen niedrigerer Energie. Die endgültige Bestätigung dieser Theorie und die weitere Erforschung kosmischer Strahlung erfordert jedoch eine bessere Datenbasis und damit weitere Messungen in diesem Energiebereich. Die JEM-EUSO Mission gehört zur nächsten Generation von Detektoren für kosmische Strahlung und wird das erreichbare Detektorvolumen erneut deutlich vergrößern. Dabei wird ein ähnlicher Ansatz zu den bodengebundenen Detektorfarmen verfolgt und es werden sowohl Fluoreszenz- als auch Cherenkovsignaturen der Luftschauer gemessen werden. Das JEM-EUSO Teleskop selbst wird jedoch an der Außenhülle des japanischen Forschungsmoduls (KIBO) der Internationalen Raumstation (ISS) angebracht werden und die Erdatmosphäre von oben beobachten. Es wird erwartet, dass das dadurch erzielte, deutlich größere Detektorvolumen die Beobachtung selbst höchstenergetischer Teilchen (E ~ 10^20 eV) merklich wahrscheinlicher machen und damit eine exaktere Bestimmung des Ursprungs der Primärteilchen ermöglichen wird. Die Fertigstellung von JEM-EUSO war zunächst für das Jahr 2017 geplant, musste jedoch auf unbestimmte Zeit verschoben werden. Mit Mini-EUSO, K-EUSO und EUSO-SPB sind jedoch für die nächsten Jahre mehrere Nebenmissionen in Vorbereitung, die auch die Entwicklung der Hauptmission mit vorantreiben werden. Mit der als Konzeptstudie zu JEM-EUSO gedachten EUSO-Balloon Mission, die im August 2014 in Timmins, Kanada, ihren Jungfernflug absolvierte, wurden Prototypen der JEM-EUSO Hardware und die Beobachtungsstrategie erstmals erfolgreich getestet. Durch die im Vergleich zu JEM-EUSO deutlich geringere Detektorfläche, Flughöhe und Flugdauer (< 6 Stunden) war die Beobachtung eines "echten" Teilchenschauers selbst bei guten Wetterbedingungen unwahrscheinlich. Aus diesem Grund wurden mit in einem Helikopter montierten UV-Laser Lichtpulse simuliert, die von EUSO-Balloon gemessen werden konnten. Im Zuge der EUSO-Balloon Mission kamen auch die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Computerprogramme zum Einsatz, die zur Konvertierung, grafischen Anzeige und Analyse von Detektor-Rohdaten in (nahezu) Echtzeit verwendet werden können. Da die Software speziell auf Spezifikationen und Anforderungen der EUSO-Balloon Detektorelektronik zugeschnitten wurde, war sie auch bereits in der Entwicklungsphase bei hardwarenahen Tests und zur Kalibration von Detektorkomponenten eine große Hilfe. Ferner wurden die Programme zur Überwachung und Koordinierung während des Ballonfluges und zur Sortierung und Auswertung insbesondere der Laserdaten nach Ende der Mission verwendet. Mit dem erfolgreichen Abschluss des EUSO-Balloon Projekts konnte gezeigt werden, dass Detektorprototyp und Beobachtungsprinzip funktionieren und die entwickelte Software wie erwartet arbeitet. Das flexible Design der einzelnen Programme erlaubt eine einfache Anpassung an die Anforderungen der JEM-EUSO Hauptmission oder von weiteren Konzeptstudien. Weiterhin wurde die Wichtigkeit computergestützter Echtzeitdatenanalyse für moderne Forschungsmissionen anschaulich zur Schau gestellt.show moreshow less

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Metadaten
Author:Michael Wille
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-87142
Advisor:Jörn Wilms
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2017
Embargo Date:2017/08/13
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2017/06/27
Release Date:2017/08/30
Tag:EUSO-Balloon; JEM-EUSO; NRTA
SWD-Keyword:astronomy; cosmicray; physics
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät
Dewey Decimal Classification:Naturwissenschaften und Mathematik / Physik / Moderne Physik
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Keine Creative Commons Lizenz - es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht

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