Tunka-Rex - die Radioerweiterung des Tunka-Experiments

Tunka-Rex (für Tunka Radio Extension) war ein 1km² digitales Antennen-Messfeld beim Tunka-133-Experiments im Tunka-Tal in Sibirien. Während Tunka-133 das Cherenkovlicht misst, das von, durch kosmische Strahlung ausgelösten, Luftschauern abgestrahlt wird, detektierte Tunka-Rex die Radioemission der gleichen Luftschauer. Der Energiebereich der Messungen reichte dabei bis über 1 EeV hinaus. Tunka-Rex hatte seinen Betrieb erfolgreich am 8. Oktober 2012 mit zunächst 18 Antennen aufgenommen, wurde 2013 auf 25, 2014 auf 44 Antennen und 2016 auf insgesamt 63 Antennen verdichtet. Seit 2015 wurde Tunka-Rex zusätzlich von Szintillationsdetektoren getriggert, die am Boden die Sekundärteilchen der Luftschauer messen. 2018 wurde die Datennahme für die aktuellen wissenschaftlichen Ziele abgeschlossen. 2019 wurden die meissten Antennenstationen zurückgebaut, wobei einige Antennen zu Ausbildungszwecken sowie zur weiteren Forschung und Entwicklung der Radiotechnik verblieben sind. Zwei Jahre später wurde schließlich auch die Datenanalyse durch die Tunka-Rex Kollaboration abgeschlossen. Die Messdaten stehen für zukünftige Analysen aber weiterhin zur Verfügung.

Tunka-Rex stellte weltweit eine einzigartige Gelegenheit dar, um in Hybridmessungen die Radio- und die Cherenkovlichttechnik für Luftschauer zu vergleichen. Der Standort wurde mittlerweile mit weiteren Cherenkovlicht-Detektoren zum Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy (TAIGA) ausgebaut und kann auch in Zukunft zur Weiterentwicklung der Radiomesstechnik für kosmische Teilchen zu verwenden.

Die ursprünglichen Ziele von Tunka-Rex wurden bereits erreicht:

Eine Kreuzkalibration des Radio- und des Cherenkovlicht-Signals der gleichen Luftschauer. Auf diese Weise soll die Präzision der Radiomessungen für die Energie und Massenzusammensetzung der kosmischen Strahlung untersucht werden: Mit einer ersten Analyse konnte bereits eine Präzision für die Energie von 15 % (mit 20 % absoluter Skalenunsicherheit), und eine Präzision für die Position des Schauermaximums von 40 g/cm² erreicht werden. Die Präzision wurde inzwischen durch eine verbesserte Technik der Datenanalyse auf etwa 30 g/cm² verbessert werden. Die Radiomessungen sind also in etwa so genau wie die traditionellen Cherenkovlicht-Messungen.
Praxistest, dass Radioantennen eine kostengünstige Methode für große Detektorfelder zur Messung hochenergetischer kosmischer Strahlung bieten: Trotz anfänglicher Zweifel konnte gezeigt werden, dass die kostengünstige SALLA-Antenna am Holzpfahl vollkommen ausreicht, um die oben genannte Genauigkeit zu erzielen.
Erhöhung der Tunka-Messzeit um eine Größenordnung, da Radiomessungen bei praktisch allen Wetter- und Lichtbedinungen möglich sein, Cherenkovlichtmessungen aber nur in dunklen, mondlosen Nächten: Seit Ende 2015 maß Tunka-Rex auch tagsüber. Dazu werden die Radioantennen von Tunka-Grande, der neuen Erweiterung aus Szintillationsdetektoren getriggert, die Sekundärteilchen der Luftschauer messen.

Weitere erreichte Analyse-Ziele von Tunka-Rex:

Ein besseres Verständnis der Detektionseffizienz der Radio-Technik, um ein entsprechendes Model zur Bestimmung der Apertur von Antennefeldern zu entwickeln.
Die Anwendung neuer Techniken des maschinellen Lernens für die Analyse der Radiomessungen, z.B. die Anwendung neurolaner Netze (Deep Learning).

Die Arbeit der Tunka-Rex Kollaboration wurde mit der Präsentation letzter Ergebnisse auf der Online ICRC-Konferenz 2021 beendet. Auf den Ergebnissen und Daten von Tunka-Rex bauen jedoch weitere Aktivitäten auf, z.B., wurde Software an andere Experimente weitergegeben und eine weiterentwickelte Version der SALLA-Antennen für das Radio Upgrade des Pierre Auger Observatoriums verwendet.

Tunka-Rex-Antenne im Winter; weitere Tunka-Detektoren im Hintergrund: PMT, lokale Datenerfassung (weißer Kasten) und Szintillationsdetektoren.