Ein Durchbruch in der Forschung zur kosmischen Strahlung könnte dank der Anwendung von Künstlicher Intelligenz (KI) erzielt werden. Dr. Jonas Glombitza vom Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ECAP) hat innovative Techniken zur Datenanalyse entwickelt. Diese zeigen, dass die energiereichsten Teilchen, die die Erde erreichen, überwiegend schwere Kerne wie Stickstoff- oder Eisenatome sind, anstatt Protonen. Diese Erkenntnisse sind Teil einer umfassenden Untersuchung, die in Zusammenarbeit mit dem weltgrößten Observatorium zur Erforschung der kosmischen Strahlung, dem Pierre-Auger-Obervatorium in Argentinien, durchgeführt wird.
Glombitza begann 2017 an der RWTH Aachen mit der Programmierung von maschinellen Lern-Tools zur Analyse von Teilchenschauern. Seit seinem Wechsel zur FAU im Jahr 2022 arbeitet er weiter an der Verfeinerung dieser Techniken. Im Jahr 2025 wurde ihm der ETI-Award, eine Talentförderung der Universität, verliehen, was seine bedeutenden Beiträge zur Astrophysik würdigt. Er äußert jedoch, dass der Begriff „Künstliche Intelligenz“ oft unterschiedlich definiert wird und er diesen ungern verwendet.
Das Pierre-Auger-Obervatorium
Das Pierre-Auger-Obervatorium ist die größte Anlage zur Erforschung der kosmischen Strahlung mit einer Fläche von 3.000 km². Die Einrichtung umfasst 27 Teleskope und 1.660 Oberflächendetektoren, die in Wasserbehältern untergebracht sind. Die Beobachtungen konzentrieren sich auf die Fluoreszenzlichtemission, die durch die bei der Interaktion von Primärteilchen mit der Erdatmosphäre entstehenden Luftschauer erzeugt wird.
Die Teleskope arbeiten jedoch nur unter optimalen Bedingungen, wie bei klarem, mondlosem Wetter, was die Datenerfassung einschränkt. Trotz dieser Herausforderungen kann die KI-gestützte Analyse die Verteilungsmuster der Partikel aus den Oberflächendetektoren rekonstruieren und die Masse der Primärteilchen schätzen. Diese Technologie ermöglicht die Auswertung von in etwa 60.000 Teilchenschauern innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums – eine Aufgabe, die ohne KI zirka 150 Jahre traditioneller Teleskopbeobachtungen erfordert hätte.
Herausforderungen der kosmischen Strahlung
Kosmische Strahlung, beschrieben als hochenergetische Teilchenstrahlung von der Sonne, der Milchstraße und fernen Galaxien, besteht hauptsächlich aus Protonen, Elektronen und ionisierten Atomen. Jedes Primärteilchen erzeugt einen Teilchenschauer, der bis zu 10^11 Sekundärteilchen freisetzen kann. In der Erdatmosphäre treffen täglich rund 1.000 Teilchen pro Quadratmeter auf die äußere Schicht.
Ein zentrales Rätsel in der Physik betrifft die Herkunft hochenergetischer Teilchen, die Energien über 10^20 eV aufweisen. Diese Teilchen treten extrem selten auf, etwa ein Teilchen pro Quadratkilometer und Jahrhundert, und ihre Untersuchung erfordert große Detektoranlagen wie das Pierre-Auger-Obervatorium. Über 250 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 17 Ländern arbeiten im Rahmen der Pierre Auger-Kollaboration an diesen Herausforderungen.
Zusätzlich zu den grundlegenden Forschungsthemen wird auch das AugerPrime-Upgrade des Detektors untersucht, das verschiedene Arten von Teilchendetektoren kombiniert, darunter optische Fluoreszenz-Teleskope und Radioantennen. Die gemessenen Daten könnten nicht nur zur Lösung der Rätsel rund um die kosmische Strahlung beitragen, sondern auch zur Untersuchung ihrer Auswirkungen auf die Strahlenexposition, insbesondere für Personen im Flugverkehr.
Insgesamt verdeutlichen die aktuellen Entwicklungen in der Anwendung von Künstlicher Intelligenz in der Astroteilchenphysik die enormen Möglichkeiten, die sich aus der Symbiose zwischen moderner Technologie und klassischer Physik ergeben. Der außergewöhnliche Fortschritt in diesem Bereich könnte weitreichende Implikationen für unser Verständnis der kosmischen Strahlung und ihrer Ursprünge haben.
