Am 12. März 2025 hat Dr. Jonas Glombitza vom Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) einen bemerkenswerten Fortschritt in der Erforschung der kosmischen Strahlung erzielt, indem er Künstliche Intelligenz (KI) zur Analyse von Daten nutzt. Diese Forschungen zeigen, dass die energiereichsten Teilchen, die die Erde erreichen, meistens schwerere Kerne wie Stickstoff- oder Eisenatome sind, und nicht die häufig als Primärteilchen betrachteten Protonen, wie fau.de berichtet.
Glombitza, der 2017 an der RWTH Aachen mit der Programmierung von maschinellen Lern-Tools begann, wechselte 2022 zur FAU und wurde im Jahr 2025 mit dem ETI-Award ausgezeichnet, einer Talentförderung der Universität. Er äußert, dass er den Begriff „Künstliche Intelligenz“ ungern verwendet, da dieser oft unterschiedlich definiert wird. Tatsächlich stellt die KI-Analyse erst die zweite Anwendung von maschinellem Lernen in der Astroteilchenphysik dar.
Herausforderungen der Datenanalyse
Die ultrahochenergetische kosmische Strahlung, die aus Galaxien außerhalb der Milchstraße stammt, weist Teilchen mit Energien von 1018 bis 1020 Elektronenvolt auf. Primärteilchen, die in die Erdatmosphäre eindringen, erzeugen Luftschauer, die eine Vielzahl kleinerer Partikel freisetzen, darunter Elektronen und Myonen. Interessanterweise treten diese hochenergetischen Teilchen sehr selten auf – etwa ein Teilchen pro Quadratkilometer und Jahrhundert – und erfordern große Detektoranlagen, um untersucht zu werden. Das Pierre-Auger-Obervatorium in Argentinien, die größte Anlage zur Erforschung der kosmischen Strahlung, umfasst eine Fläche von 3.000 km² und beherbergt 27 Teleskope sowie 1.660 Oberflächendetektoren in Wassertanks, wie iap.kit.edu erklärt.
Eine weitere Herausforderung für die Forscher besteht darin, dass die Teleskope nur bei klaren, mondlosen Nächten arbeiten können, was die Menge der für die Analyse verfügbaren Daten deutlich einschränkt. Mithilfe von KI wird jedoch die Verteilung der Partikel aus den Oberflächendetektoren rekonstruierbar, was die Schätzung der Masse des Primärteilchens ermöglicht. Diese KI-gestützte Analyse hat es Glombitza ermöglicht, 60.000 Teilchenschauer auszuwerten, eine Aufgabe, die ohne KI rund 150 Jahre an Teleskopbeobachtungen erfordert hätte.
Kosmische Strahlung: Eine physikalische Herausforderung
Kosmische Strahlung, die hochenergetische Teilchenstrahlung von Sonne, Milchstraße und fernen Galaxien umfasst, ist ein zentrales Rätsel der modernen Physik. Diese Strahlung setzt sich hauptsächlich aus Protonen, Elektronen und vollständig ionisierten Atomen zusammen und trifft auf die äußere Erdatmosphäre mit einer Rate von etwa 1.000 Teilchen pro Quadratmeter und Sekunde. Jedes Primärteilchen erzeugt durch Wechselwirkungen einen Teilchenschauer mit bis zu 1011 Sekundärteilchen, jedoch erreicht nur ein geringer Teil dieser Sekundärstrahlung die Erdoberfläche, wie wikipedia.org beschreibt.
Die Analyse dieser atmosphärischen Wechselwirkungen und die Erfassung der Strahlung sind entscheidend, um mehr über die Herkunft und das Verhalten dieser extremen Teilchen zu erfahren. Das AugerPrime-Detektor-Upgrade wird dabei eingesetzt, das zwei Arten von Teilchendetektoren umfasst: optische Fluoreszenz-Teleskope und Radioantennen. Das Team, das aus mehr als 250 WissenschaftlerInnen aus 17 Ländern besteht, ist bestrebt, die Geheimnisse der hochenergetischen Teilchen zu entschlüsseln und einen tieferen Einblick in die Physik des Universums zu gewinnen.