Ultra-high-energy cosmic rays: their source and target properties

Trotz fünf Jahrzehnten intensiver Forschung ist ultrahochenergetische kosmische Strahlung (UHECRs) nach wie vor ein wichtiges Thema der aktuellen Forschung, da einige entscheidende Fragen zu UHECRs unbeantwortet geblieben sind. Beispielsweise sind bisher weder die Quellen von UHECRs noch die Eigenschaften ihrer Quellen bekannt. Außerdem ist der Fluss hochenergetischer kosmogener Neutrinos, die durch Wechselwirkungen von UHECRs mit kosmischen Hintergrundphotonen entstehen, noch nicht gemessen worden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit diesen Problemen mit Hilfe von aufwendigen Computersimulationen der Propagation von UHECRs von ihren Quellen zur Erde und eines Vergleichs mit experimentellen Daten. Die Simulationen berücksichtigen alle drei Raumdimensionen, die kosmologische Entwicklung des Universums, Wechselwirkungen von UHECRs mit kosmischen Hintergrundphotonen und realistische Annahmen über das extragalaktische Magnetfeld. Auf dieser Grundlage wird untersucht, welches Energiespektrum und welche chemische Zusammensetzung der UHECRs an ihren Quellen angenommen werden müssen, um in den Simulationen ein Energiespektrum und eine chemische Zusammensetzung der die Erde erreichenden UHECRs zu erhalten, die am besten mit den entsprechenden vom Pierre-Auger-Observatorium gemessenen Daten übereinstimmen. Darüber hinaus wird der Fluss der die Erde erreichenden hochenergetischen kosmogenen Neutrinos vorhergesagt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass das am besten passende Energiespektrum und die am besten passende chemische Zusammensetzung an den Quellen stark vom extragalaktischen Magnetfeld und der kosmologischen Entwicklung der Quellen abhängen. Es wird auch gezeigt, dass die Verteilung der Ankunftsrichtungen der UHECRs eine ausgeprägte dipolare Anisotropie und relativ schwache Beiträge höherer Ordnung zum Winkelleistungsspektrum aufweist. Dieses Ergebnis stimmt gut mit der jüngsten Beobachtung einer dipolaren Anisotropie für UHECRs mit Ankunftsenergien über 8 EeV durch das Pierre-Auger-Observatorium überein und stellt eine wichtige Vorhersage für andere Energiebereiche und Winkelbeiträge höherer Ordnung dar. Die Vorhersagen für den kosmogenen Neutrinofluss sind mit Obergrenzen konsistent, die vom Pierre-Auger-Observatorium und dem IceCube Neutrino Observatorium ermittelt wurden. Es wird gezeigt, dass das extragalaktische Magnetfeld einen starken Einfluss auf den Neutrinofluss hat. Durch die Ergebnisse dieser Arbeit wird das Wissen über UHECRs und die damit zusammenhängenden kosmogenen Neutrinos erheblich erweitert. Da die durchgeführten Simulationen vollständig mit den verfügbaren experimentellen Daten übereinstimmen, stellen die zugrundeliegenden Informationen und Annahmen ein äußerst realistisches astrophysikalisches Szenario dar, das für die zukünftige Erforschung der UHECRs eine sehr nützliche Grundlage ist. Des Weiteren sind die Ergebnisse für das Design zukünftiger Neutrinoobservatorien wichtig, da sie ermöglichen, das Detektorvolumen und die Beobachtungszeit abzuschätzen, die für den Nachweis hochenergetischer kosmogener Neutrinos in naher Zukunft erforderlich sind. Eine Beobachtung solcher Neutrinos würde die Multimessenger-Astronomie auf bisher unerreichte Energieskalen ausweiten.