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Zusammenfassung
  • 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.
Abstract
  • Despite intensive research over the past five decades, ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) are still an important topic of current research, since several crucial questions regarding UHECRs have remained unanswered. For example, neither the sources of UHECRs nor the properties of their sources are known so far. Furthermore, the flux of high-energy cosmogenic neutrinos originating from interactions of UHECRs with cosmic background photons has not yet been measured. This work addresses these issues by elaborate computer simulations of the propagation of UHECRs from their sources to the Earth and a comparison with experimental data. The simulations take into account three-dimensional space, the cosmological evolution of the universe, interactions of UHECRs with cosmic background photons, and realistic assumptions about the extragalactic magnetic field. On this basis, it is studied which energy spectrum and chemical composition of the UHECRs must be assumed at their sources to obtain an energy spectrum and a chemical composition of the simulated UHECRs arriving at the Earth that are in best agreement with the corresponding data measured by the Pierre Auger Observatory. Moreover, the flux of high-energy cosmogenic neutrinos arriving at the Earth is predicted. The results of this work show that the best-fitting energy spectrum and chemical composition at the sources depend strongly on the extragalactic magnetic field and the source evolution. It is also found that the distribution of the arrival directions of the UHECRs has a pronounced dipolar anisotropy and relatively weak higher-order contributions to the angular power spectrum. This finding agrees well with the recent observation of a dipolar anisotropy for UHECRs with arrival energies above 8 EeV by the Pierre Auger Observatory and constitutes an important prediction for other energy ranges and higher-order angular contributions. The predictions for the cosmogenic neutrino flux are consistent with upper limits obtained from the Pierre Auger Observatory and the IceCube Neutrino Observatory. It is shown that the extragalactic magnetic field has a strong influence on the neutrino flux. This work's results significantly extend the knowledge about UHECRs and the associated cosmogenic neutrinos. Since the performed simulations are found to be completely consistent with the available experimental data, the underlying information and assumptions constitute a highly realistic astrophysical scenario that will be a very useful basis for future studies on UHECRs. Furthermore, the results are important for the design of future neutrino observatories, since they allow to assess the detector volume and observation time that are necessary to detect high-energy cosmogenic neutrinos in the near future. An observation of such neutrinos would push multimessenger astronomy to hitherto unachieved energy scales.
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