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Zusammenfassung
  • Diese Dissertation untersucht eine Reihe von Forschungsfragen in der Astroteilchenphysik und Kosmologie. Sie analysiert UHECR-Anisotropien in der Ankunftsrichtung, die durch das Magnetfeld der Milchstraße beeinflusst werden, sowie die Ausbreitung kosmischer Strahlen im lokalen Universum durch die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) unter Berücksichtigung einer modifizierten Temperatur–Rotverschiebungs-Beziehung (T(z) bzw. T-z). Zusätzlich untersuchen wir grundlegende physikalische Konzepte, die eine modifizierte T-z-Relation im Rahmen eines dekonfinierenden SU(2)-Yang-Mills-Plasmas nahelegen könnten. Darüber hinaus befasst sich diese Arbeit mit einem Leptonmodell, das auf einer gemischten SU(2)-Yang-Mills-Thermodynamik basiert und eine Verbindung zwischen dem Leptonmassespektrum und dem Massenspektrum ultraleichter Axionen herstellt, welche als Kandidaten für die Dunkle Materie des Universums vorgeschlagen werden. Eine Motivation aus der Kosmologie zur Betrachtung einer modifizierten CMB-T-z-Relation sind die aktuellen Spannungen (wie H₀, σ₈, S₈) im kosmologischen Standardmodell ΛCDM. Eine vorgeschlagene Erweiterung, SU(2)CMB, beschreibt kosmische Mikrowellenhintergrund-Photonen im Rahmen einer SU(2)-Eichtheorie anstelle der üblichen U(1)-Eichgruppe. Dies impliziert eine abgeflachte Temperatur–Rotverschiebungs-Relation. Dadurch werden einige dieser Spannungen reduziert, die Epoche der Rekombination zu höheren Rotverschiebungen verschoben und die CMB-Photonendichte bei gleicher Rotverschiebung effektiv verringert. Darüber hinaus diskutiert diese Dissertation die Auswirkungen der modifizierten kosmischen Mikrowellenhintergrund-Evolution auf Multimessenger-Studien. Insbesondere untersuchen wir die Effekte der oben genannten ΛCDM-Erweiterung auf den Propagationshorizont ultrahochenergetischer kosmischer Strahlen (UHECR), erhöhte kosmogene Neutrinoflüsse und die veränderten Eigenschaften der Quellen, die aus dem UHECR-Spektrum abgeleitet werden. In verwandten Studien analysieren wir den Einfluss galaktischer Magnetfelder auf die Ausbreitung und Isotropie von UHECRs. Interessanterweise können bereits geringe zeitliche Variationen (~30 %) im kosmischen Strahlungsfluss in den letzten mehreren Hunderttausend Jahren einen Dipol in der Ankunftsrichtung von UHECRs erzeugen, wie ihn die Auger-Kollaboration beobachtet. Mehrere Ansätze zur experimentellen Überprüfung der oben genannten modifizierten T(z)-Relation werden diskutiert. Während der Sunyaev–Zel’dovich-Effekt es nicht erlaubt, diese T(z)-Relation direkt aus den Daten zu extrahieren, ist die Ausbreitung ultrahochenergetischer kosmischer Strahlen dafür empfindlich. Es scheint, dass SU(2)CMB UHECR-Quellen wie Starburst-Galaxien mit einer relativ stabilen Produktionsrate gegenüber aktiven galaktischen Kernen als primäre Quelle von UHECRs bevorzugt. Wir schließen daraus, dass die Frage nach der Natur der primären UHECR-Quellen direkt von der angenommenen Temperatur–Rotverschiebungs-Relation der CMB beeinflusst wird. Darüber hinaus befasst sich diese Arbeit mit dem ARCADE 2 Radioüberschuss im CMB-Spektrum bei kleinen Frequenzen, welchen wir nicht als Vordergrundstrahlung, sondern als eine intrinsische Eigenschaft von Schwarzkörperstrahlung interpretieren. Basierend auf SU(2)CMB untersuchen wir zudem theoretisch und experimentell spektrale Schwarzkörper-Anomalien bei höheren Temperaturen als der aktuellen CMB-Temperatur von T_CMB = 2.725 K. Die Konsequenzen einer Erweiterung des kosmologischen Modells ΛCDM im Sinne von SU(2)CMB für Dunkle Materie und Dunkle Energie, den sogenannten dunklen Sektor, werden abschließend kurz diskutiert.
Abstract
  • This thesis explores a range of research questions in astroparticle physics and cosmology. It examines UHECR anisotropies in arrival direction, which are influenced by the Milky Way’s magnetic field and the propagation of cosmic rays in the local Universe through the cosmic microwave background (CMB) with a modified temperature-redshift (T(z) or T-z) relation. Additionally, we explore fundamental physics that may suggest a modified T-z relation within the framework of a deconfining SU(2) Yang-Mills plasma. Furthermore, this thesis also examines a lepton model based on mixed SU(2) Yang-Mills thermodynamics, linking the lepton mass spectrum to the mass spectrum of ultralight axions, which are proposed as candidates for the Universe’s dark matter. A motivation from cosmology to consider a modified CMB T-z relation is the current parameter tensions (such as H0, σ8, S8) in the cosmological standard model ΛCDM. A proposed extension called SU(2)CMB describes thermal cosmic microwave background photons in the framework of an SU(2) gauge theory instead of using the conventional U(1) gauge theory, which implies a flattened temperature-redshift relation. This reduces some of these tensions, pushes the recombination epoch to higher redshifts, and effectively reduces the CMB photon density at one and the same redshift. Moreover, this thesis discusses the impact of the modified Cosmic Microwave Background evolution on multimessenger studies. In particular, we investigate the effects of the above-mentioned ΛCDM extension on the ultra-high-energy cosmic ray (UHECR) propagation horizon, increased cosmogenic neutrino fluxes, and the changes in source properties inferred from the UHECR spectrum. In related studies, we investigate the impact of galactic magnetic fields on the propagation and isotropy of UHECRs. Interestingly, only small temporal variations (∼30%) in the cosmic ray flux within the last couple of several hundred-thousand years are able to reproduce a dipole in arrival direction of UHECRs as seen by the Auger collaboration. Several venues to test the proposed changed T(z) relation are discussed. Due to the redshift independence of the thermal Sunyaev–Zel’dovich effect, this T-z relation cannot be extracted from data. On the other hand, ultra-high-energy cosmic ray propagation is sensitive to this relation. It seems that SU(2)CMB favours UHECR sources, such as starburst galaxies with a relatively steady production rate, over active galactic nuclei as the primary source class of UHECRs. We conclude that the question about the nature of primary sources of UHECRs is directly affected by the assumed T-z relation of the CMB. Finally, we try to link the ARCADE 2 radio excess to an intrinsic feature of SU(2)CMB, a blackbody anomaly instead of a radio foreground. Based on an SU(2)CMB model, we also investigate theoretically and experimentally spectral blackbody anomalies at higher temperatures than the current CMB temperature of T_CMB = 2.725 K. The consequences of an extension of the ΛCDM cosmological model in the sense of SU(2)CMB for dark matter and dark energy, the so-called dark sector, are briefly discussed.
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