Promotionsvortrag von Pascal Thomas Gutjahr

Der atmosphärische Myonenfluss ermöglicht es, die Teilchenproduktion in hochenergetischen hadronischen Wechselwirkungen in Luftschauern im kinematischen Vorwärtsbereich zu untersuchen, der für Kolliderexperimente nicht zugänglich ist. Während der konventionelle Fluss aus Pion- und Kaonzerfällen vergleichsweise gut verstanden ist, fehlt es für die prompte Komponente, die durch Zerfälle von charmhaltigen Hadronen dominiert wird, an präzisen Messungen bei den höchsten Energien. Der atmosphärische Myonenfluss ist zudem der dominierende Untergrund für Analysen in der As­tro­teil­chen­phy­sik, insbesondere für die Suche nach astrophysikalischen Neutrinoquellen. Diese Arbeit präsentiert eine Messung des atmosphärischen Myonenflusses, einschließlich seiner prompten Komponente, unter Verwendung von 12,12 Jahren an Daten des IceCube Neutrino Observatoriums. Das Myonenenergiespektrum wird an die Oberfläche im Energiebereich von 10 TeV bis 15 PeV entfaltet und erweitert damit frühere IceCube-Myonenflussmessungen um etwa eine Größenordnung in Energie. Ein zentraler Beitrag ist eine neuartige, auf maschinellem Lernen basierende Rekonstruktion zur Bestimmung der Energie des führenden Myons (des höchstenergetischen Myons innerhalb eines Bündels), die die Sensitivität auf spektrale Unterschiede zwischen konventioneller und prompter Komponente erhöht. Ergänzend wurden neue CORSIKA-Simulationen zur Zuordnung von Myonen zu promptem bzw. konventionellem Ursprung sowie eine dedizierte Ereignisselektion für diese Analyse entwickelt. Die entfalteten Ergebnisse werden mit MCEq- und CORSIKA-Vorhersagen für mehrere Kombinationen aus Modellen der primären kosmischen Strahlung und der hadronischen Wechselwirkungen verglichen. Unter den in dieser Arbeit betrachteten Modellen zeigt die MCEq-Vorhersage mit dem GlobalSplineFit-Modell in Kombination mit SIBYLL 2.3c die beste Übereinstimmung mit dem hochenergetischen entfalteten Fluss. Für dieses Referenzmodell wird die prompte Komponente mit einer Signifikanz von 4,4 sigma nachgewiesen. Mehrere Modelle wurden getestet und die Normierungen der prompten und konventionellen Komponenten bestimmt, wobei die meisten Fits 5 sigma überschreiten. Die Ergebnisse liefern neue experimentelle Einschränkungen für die Charm-Produktion im Vorwärtsbereich bei den höchsten Energien und werden zur Untersuchungen des Myondefizits in Luftschauerexperimenten beitragen.