Beam-Plasma Instabilities in Electromagnetic Cascade from Laboratory to Astrophysical Contexts

Abstract

The propagation of very high-energy gamma rays from distant astrophysical sources, such as TeV blazars, gives rise to electromagnetic cascades in the intergalactic medium. In the standard picture, these cascades produce secondary gamma rays in the GeV energy range through inverse Compton scattering of electron-positron pairs. However, observations have revealed a suppression of this expected GeV emission, commonly referred to as the "missing GeV cascade". This discrepancy is often interpreted as evidence for intergalactic magnetic fields (IGMF), although alternative mechanisms, such as plasma instabilities, may play an equally important role.

In this thesis, we first investigate the evolution of beam-plasma instabilities as a function of beam density in a laboratory-relevant regime, using kinetic Particle-in-Cell simulations in EPOCH to model astrophysically relevant pair beams under controlled laboratory conditions. These simulations provide a fully kinetic description of the system, allowing us to capture wave-particle interactions and instability feedback. The results show that oblique instability modes grow efficiently, and as a result, the electric fields grow. This process leads to significant beam energy loss, energy transfer into background plasma, and angular broadening of the beam. We identify the physical limit in beam density contrast below which a warm beam can be considered dilute, under laboratory conditions designed to replicate astrophysical pair beams produced by TeV blazars, and further extrapolate these findings to astrophysical scenarios, including sources such as 1ES 0229+200. The instability leads to an energy loss of approximately 2 to 4% of an astrophysically relevant beam, while nonlinear feedback remains marginal, yielding negligible transverse broadening.

In addition to the numerical study, we explore the feasibility of reproducing such beam-plasma interactions in laboratory environments. We outline experimental setups based on electron-beam-driven configurations in laser wakefield accelerators and proton-beam-driven setups that can generate relativistic electron-positron beams. We also address the main challenges related to beam filtering, the background plasma cell, and the characterization of instability growth. These proposed experiments offer a promising pathway to directly probe instability dynamics under controlled conditions and to validate theoretical predictions.

Next, we investigate the propagation of electron-positron pairs through the extragalactic space and the impact of beam-plasma instabilities on cascade development using a Monte Carlo CRPropa 3.2 simulation framework. We incorporate a parametric model of plasma instability-induced energy losses into CRPropa 3.2 and simulate the development of electromagnetic cascades in the presence of IGMF. The cascade simulations with instability and IGMF show that including instability effects suppresses the GeV flux, but plasma instabilities contribute only marginally to the total energy loss of the beam, with a fractional loss of less than about 2% for electron energies below 4 TeV and less than about 1% in the GeV regime. In particular, accounting for plasma instability cooling, consistency with Fermi-LAT observations requires a minimum magnetic field strength of B >= about 2.7 x 10^-17 G for a field of view of thetaFoV = 1.0 degrees, which becomes B >= about 5.4 x 10^-17 G for thetaFoV = 4.5 degrees. In summary, we find that plasma instabilities have only a minor impact on cascade evolution and that cascade production is predominantly governed by magnetic deflections in the IGMF; therefore, the IGMF constraints remain robust.

Die Ausbreitung von Gammastrahlung sehr hoher Energien aus fernen astrophysikalischen Quellen, wie etwa TeV-Blazaren, führt zur Entstehung elektromagnetischer Kaskaden im intergalaktischen Medium. Im Standardbild erzeugen diese Kaskaden sekundäre Gammastrahlung im GeV-Energiebereich durch inverse-Compton-Streuung von Elektron-Positron-Paaren. Beobachtungen haben jedoch eine Unterdrückung dieser erwarteten GeV-Emission gezeigt, die gemeinhin als "fehlende GeV-Kaskade" bezeichnet wird. Diese Diskrepanz wird häufig als Hinweis auf intergalaktische Magnetfelder (IGMF) interpretiert, wenngleich alternative Mechanismen, wie Plasma-Instabilitäten, eine ebenso bedeutende Rolle spielen könnten.

In dieser Arbeit untersuchen wir zunächst die Entwicklung von Strahl-Plasma-Instabilitäten als Funktion der Strahldichte in einem laborrelevanten Regime. Hierzu werden kinetische Particle-in-Cell-Simulationen mit EPOCH eingesetzt, um astrophysikalisch relevante Paarstrahlen unter kontrollierten Laborbedingungen zu modellieren. Diese Simulationen liefern eine vollständig kinetische Beschreibung des Systems und ermöglichen die Erfassung von Welle-Teilchen-Wechselwirkungen sowie Instabilitätsrückkopplungen. Die Ergebnisse zeigen, dass schräge Instabilitätsmoden effizient anwachsen und infolgedessen die elektrischen Felder verstärkt werden. Dieser Prozess führt zu signifikanten Energieverlusten des Strahls, einem Energietransfer in das Hintergrundplasma sowie zu einer Winkelaufweitung des Strahls. Wir identifizieren die physikalische Grenze im Dichtekontrast des Strahls, unterhalb derer ein warmer Strahl als verdünnt betrachtet werden kann, basierend auf Laborbedingungen, die astrophysikalische Paarstrahlen aus TeV-Blazaren nachbilden. Diese Ergebnisse werden anschließend auf astrophysikalische Szenarien, einschließlich Quellen wie 1ES 0229+200, extrapoliert. Die Instabilität führt zu einem Energieverlust von etwa 2 bis 4 % eines astrophysikalisch relevanten Strahls, während nichtlineare Rückkopplungseffekte marginal bleiben und zu vernachlässigbarer transversaler Aufweitung führen.

Neben der numerischen Untersuchung analysieren wir die Realisierbarkeit solcher Strahl-Plasma-Wechselwirkungen in Laborumgebungen. Es werden experimentelle Aufbauten skizziert, die auf elektronenstrahlgetriebenen Konfigurationen in Laser-Wakefield-Beschleunigern sowie auf protonenstrahlgetriebenen Aufbauten basieren, welche relativistische Elektron-Positron-Strahlen erzeugen können. Zudem werden zentrale Herausforderungen adressiert, darunter die Strahlfilterung, die Ausgestaltung der Hintergrundplasmazelle sowie die Charakterisierung des Instabilitätswachstums. Diese vorgeschlagenen Experimente bieten eine vielversprechende Möglichkeit, die Dynamik von Instabilitäten unter kontrollierten Bedingungen direkt zu untersuchen und theoretische Vorhersagen zu überprüfen.

Anschließend untersuchen wir die Ausbreitung von Elektron-Positron-Paaren im extragalaktischen Raum sowie den Einfluss von Strahl-Plasma-Instabilitäten auf die Entwicklung elektromagnetischer Kaskaden mithilfe des Monte-Carlo-Simulationsframeworks CRPropa 3.2. Hierbei implementieren wir ein parametrisches Modell für energieverlustbedingte Effekte durch Plasma-Instabilitäten in CRPropa 3.2 und simulieren die Entwicklung elektromagnetischer Kaskaden in Anwesenheit intergalaktischer Magnetfelder (IGMF). Die Kaskadensimulationen unter Berücksichtigung von Instabilitäten und IGMF zeigen, dass die Einbeziehung von Instabilitätseffekten zu einer Unterdrückung des GeV-Flusses führt, wobei Plasma-Instabilitäten jedoch nur einen geringen Beitrag zum Gesamtenergieverlust des Strahls leisten, mit einem Anteil von weniger als etwa 2 % für Elektronenenergien unterhalb von 4 TeV und weniger als etwa 1 % im GeV-Bereich. Insbesondere ergibt sich unter Berücksichtigung der Kühlung durch Plasma-Instabilitäten, dass zur Konsistenz mit Beobachtungen des Fermi-LAT eine minimale Magnetfeldstärke von B >= etwa 2.7 x 10^-17 G für ein Sichtfeld von thetaFoV = 1.0 Grad erforderlich ist, welche sich für ein größeres Sichtfeld von thetaFoV = 4.5 Grad auf B >= etwa 5.4 x 10^-17 G erhöht. Zusammenfassend zeigen wir, dass Plasma-Instabilitäten die Kaskadenentwicklung nur geringfügig beeinflussen und dass die Kaskadenproduktion überwiegend durch magnetische Ablenkungen im intergalaktischen Magnetfeld bestimmt wird; die daraus abgeleiteten Einschränkungen an das IGMF bleiben daher robust.