On the cosmological propagation of high energy particles in magnetic fields

Abstract

In the present work the connection between high energy particles and cosmic magnetic fields is explored. Particularly, the focus lies on the propagation of ultra-high energy cosmic rays (UHECRs) and very-high energy gamma rays (VHEGRs) over cosmological distances, under the influence of cosmic magnetic fields.

The first part of this work concerns the propagation of UHECRs in the magnetized cosmic web, which was studied both analytically and numerically. A parametrization for the suppression of the UHECR flux at energies $sim 10^{18}$ eV due to diffusion in extragalactic magnetic fields was found, making it possible to set an upper limit on the energy at which this magnetic horizon effect sets in, which is $lesssim 10^{17}$ eV.

To confront theoretical models with experimental data collected by large cosmic ray experiments such as the Pierre Auger Observatory, and at the same time to address the open questions regarding the origin and nature of UHECRs, the CRPropa code was developed. It allows the propagation of UHECRs and secondary gamma rays and neutrinos in the universe including all relevant energy loss and interaction processes as well as effects of galactic and extragalactic magnetic fields. The newest version, CRPropa 3, is discussed in details, including the novel feature of cosmological effects in three-dimensional simulations, which enables time dependent studies considering simultaneously magnetic field effects and the cosmological evolution of the universe.

An interesting possibility is to use UHECRs to constrain properties of cosmic magnetic fields, and vice-versa. Numerical simulations of the propagation of UHECRs in the magnetized cosmic web, obtained through magnetohydrodynamical simulations of structure formation, were performed. It was studied the effects of different magnetic field seeds on the distribution of cosmic magnetic fields today, and their impact on the propagation of cosmic rays. Furthermore, the influence of uncertainties of the strength of intergalactic magnetic fields on the propagation of UHECRs was analyzed. It is shown that magnetic fields are crucial for the propagation of cosmic rays, and the lack of knowledge about their properties can spoil the possibilities of identifying individual sources of UHECRs. The prospects for UHECR astronomy are discussed in light of these results.

The second part of this work concerns the propagation of VHEGRs in the universe. Gamma rays interact with pervasive photon fields creating electron-positron pairs which scatter background photons, in a process known as electromagnetic cascade. The electron-positron pairs can provide valuable information about the intervening magnetic fields, including the possibility of constraining the strength of these fields. A new Monte Carlo code for propagating VHEGRs in the universe was developed, based on the code structure of CRPropa. This code was applied to the study of pair halos from blazars under the assumption of different magnetic field configurations. The results suggest that the observation of pair halos can provide important clues on the strength of intergalactic magnetic fields, as well as the maximal energy attainable by VHEGR sources.

In der vorliegenden Dissertation wird die Beziehung zwischen hochenergetischen Teilchen und kosmischen Magnetfeldern erforscht. Insbesondere geht es dabei um die Ausbreitung der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung (UHECRs) und der sehr hochenergetischen Gammastrahlung (VHEGRs) in kosmichen Magnetfeldern.

Der erste Teil dieser Arbeit betrifft die Ausbreitung der UHECRs im kosmischen Netz, die analytisch und numerisch untersucht wurde. Es wurde eine Parametrisierung der Unterdrückung des UHECR-Flusses bei Energien $sim 10^{18}$ eV aufgrund der Diffusion in extragalaktischen Magnetfeldern gefunden, die es ermöglicht, eine Obergrenze für die Energie, bei der dieser Effekt des magnetischen Horizonts einsetzt, zu bestimmen, nämlich $lesssim 10^{17}$ eV.

Um theoretische Modelle mit Daten von Gro{ss}experimenten zur kosmischen Strahlung wie dem Pierre Auger Observatorium zu vergleichen und um gleichzeitig die offenen Fragen in Bezug auf den Ursprung und die Natur der UHECRs zu beantworten, wurde die Software CRPropa entwickelt. Mit dieser ist es möglich, die Ausbreitung von UHECRs sowie der sekundären Gammastrahlung und Neutrinos im Universum zu simulieren, einschlie{ss}lich aller relevanter Energieverlust- und Wechselwirkungsprozesse sowie der Auswirkungen der galaktischen und extragalaktischen Magnetfelder. Die neueste Version, CRPropa 3, wird detailliert diskutiert, darunter die neue Möglichkeit der Einbeziehung der kosmologischen Effekte bei dreidimensionalen Simulationen, welche zeitabhängige Studien unter gleichzeitiger Beachtung von Magnetfeldern und der kosmologischen Entwicklung des Universums ermöglicht.

Es ist eine interessante Möglichkeit, UHECRs zu benutzen, um Eigenschaften der kosmischen Magnetfelder einzuschränken und umgekehrt. Numerische Simulationen der Ausbreitung von UHECRs im magnetisierten kosmischen Netz, welches durch magnetohydrodynamische Simulationen der Strukturbildung erhalten wurde, wurden durchgeführt. Die Effekte unterschiedlicher Saatmagnetfelder auf die heutige kosmische Magnetfeldverteilung sowie ihre Auswirkung auf die Ausbreitung der kosmischen Strahlung wurden untersucht. Weiterhin wurde eine Analyse gemacht, um den Einfluss der Unsicherheiten der Stärke intergalaktischer Magnetfelder auf die Ausbreitung der UHECRs zu verstehen. Es wird gezeigt, dass Magnetfelder entscheidend für die Ausbreitung der kosmischen Strahlung sind und dass die mangelnde Kenntnis ihrer Eigenschaften die Identifizierung der Quellen der UHECRs teilweise verhindern können. Die Perspektiven für die UHECR-Astronomie werden angesichts diese Ergebnisse diskutiert.

Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt die Ausbreitung der VHEGRs im Universum. Die Wechselwirkung der Gammastrahlen mit den durchdringenden Photonenfeldern kann Elektron-Positron-Paare erzeugen, die wiederum die Hintergrundphotonen streuen. Dieser Prozess ist die sogenannte elektromagnetische Kaskade. Die Elektron-Positron-Paare können wertvolle Informationen über die den von ihnen durchquerten Raum durchziehenden Magnetfelder liefern, einschlie{ss}lich der Möglichkeit der Einschränkung der Stärke dieser Felder. Basierend auf der Struktur von CRPropa wurde ein neuer Monte-Carlo-Code für die Ausbreitung von VHEGRs im Universum entwickelt. Dieser Code wurde für die Untersuchung von Paarhalos von Blazaren verwendet, um verschiedene Magnetfeldmodelle zu vergleichen. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Beobachtung von Paarhalos wichtige Hinweise sowohl auf die Stärke der intergalaktischen Magnetfelder als auch auf die maximal erreichbare Energie der Gammastrahlen, die von einer Quelle emittierten werden, geben können.