The principal axes of the directional energy distribution of cosmic rays measured with the Pierre Auger Observatory

Winchen, Tobias; Erdmann, Martin

doi:999910334100

The principal axes of the directional energy distribution of cosmic rays measured with the Pierre Auger Observatory = Die Hauptachsen der richtungsabhängigen Energieverteilung der kosmischen Strahlung gemessen mit dem Pierre Auger Observatorium

Winchen, Tobias

2013

VerantwortlichkeitsangabeTobias Winchen

Ausgabe1. Aufl.

ImpressumMünchen : Hut 2013

UmfangIV, 182 S. : Ill., graph. Darst., Kt.

ISBN978-3-8439-1336-2

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Erdmann, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-07-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-48945
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229361/files/4894.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kosmische Strahlung (Genormte SW) ; UHECR (Genormte SW) ; Anisotropie (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Astroteilchenphysik (frei) ; astroparticlephysics (frei) ; cosmic rays (frei) ; UHECR (frei) ; anisotropy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 96.50.S-

Kurzfassung
Die Erde ist einem konstanten Fluss von geladenen Teilchen aus dem All mit Energien von unter 1 GeV bis zu 300 EeV ausgesetzt. Teilchen mit Energien oberhalb von etwa 1 EeV sind wahrscheinlich extragalaktischen Ursprungs. Bisher wurde jedoch keine Quelle der kosmischen Strahlung identifiziert, da die geladenen Teilchen in kosmischen Magnetfeldern abgelenkt werden. Dadurch wird zwar die Suche nach den Quellen erschwert, jedoch können durch die Untersuchung von energieabhängigen Mustern in der Verteilung der Ankunftsrichtungen der kosmischen Strahlung die extragalaktischen Magnetfelder sowie das Magnetfeld innerhalb der Milchstraße untersucht werden. In dieser Arbeit wird die direktionale Energieverteilung der kosmischen Strahlung am Himmel anhand der Hauptachsen der Verteilung in ausgewählten Regionen charakterisiert. Zur Bestimmung der Hauptachsen und zur Charakterisierung von Strukturen in der Energieverteilung in diesen Regionen werden hier die Thrust' Observablen aus der Hochenergiephysik genutzt. Eine Messung dieser Observablen mit den Daten des Pierre Auger Observatoriums, des derzeit größten Experiments zur Untersuchung der kosmischen Strahlung bei den höchsten Energien, wird vorgestellt. Neben den Verteilungen der Observablen ergibt die Analyse eine Himmelskarte der Hauptachsen der gerichteten Energieverteilung. Wir demonstrieren, dass, wenn nicht trivial, diese Achsen der Vorzugsrichtung der Ablenkung in kosmischen Magnetfeldern entsprechen, und daher Informationen über die Struktur der kosmischen Magnetfelder enthalten können. Als Test der Nicht-Trivialität der Karte analysieren wir die Reproduzierbarkeit der Achsen in Teilmengen der verfügbaren Daten. In der Analyse werden, keine außergewöhnlichen Muster in der direktionalen Energieverteilung gefunden. Damit sind alle Modelle, die solche Muster vorhersagen, durch diese Arbeit ausgeschlossen. Wir modellieren verschiedene Szenarien der Propagation der kosmischen Strahlung unter Berücksichtigung der Ablenkung in extragalaktischen Magnetfeldern und dem Magnetfeld der Milchstraße, Energieverlusten, und der Ausdehnung des Universums basierend auf analytischen Parametrisierungen. Insbesondere durch Variation der Anzahl an Quellen und der Stärke der Ablenkung im extragalaktischen Magnetfeld kann ein Übergang von einer anisotropen zu einer isotropen Verteilung der Ankunftsrichtungen modelliert werden. Unter der Annahme, daß die kosmische Strahlung zu einem Großteil aus Protonen besteht, wird eine untere Grenze auf die Stärke der Ablenkung im extragalaktischen Magnetfeld von 20 deg Mpc^-1/2 EeV durch den Vergleich der Simulationen mit unseren Beobachtungen gesetzt.

The Earth is subject to a constant flux of charged particles from space with energies ranging from below 1 GeV up to 300 EeV. At energies above approximately 1 EeV the particles are likely of extragalactic origin. However, no source has yet been identified, as the particles are deflected in cosmic magnetic fields. On the one hand the deflection in cosmic magnetic fields obscures the position of the sources, but on the other hand, the deflections make the charged cosmic rays messengers of the magnetic fields they traverse; the structure and strength of the extragalactic magnetic field and the field of the Milky Way might be encoded in energy dependent patterns in the distributions of the arrival directions of the cosmic rays. In this thesis, we characterize the directional energy distribution of cosmic rays by the collimation of energy along the principal axes of the distribution in selected regions of the sky, using the thrust observables' known in high energy physics. We present a measurement of these observables using the data obtained with the Pierre Auger Observatory, the currently largest experiment dedicated to the investigation of cosmic rays at the highest energies. Besides the distribution of the observables, the analysis yields a map of the principal axes of the directional energy distribution. We demonstrate that, if not trivial, these axes correspond to the preferred directions of deflection, and thus contain information about the structure of the cosmic magnetic fields. As test of non-triviality of the direction, we analysed the reproducibility of the map in subsets of the available data. No extraordinary patterns in the directional energy distribution of cosmic rays are found in this analysis. Thus all scenarios that predict patterns incompatible with our observations, are excluded by this work. To compare this observation with results expected in model scenarios, we model the propagation of cosmic ray protons and estimate the minimum anisotropic signal for the propagation of nuclei based on analytical parametrizations. Effects of the deflection in extragalactic magnetic fields, the magnetic field of the Milky Way, energy losses of the particles in cosmic photon fields, and effects from the expansion of the universe are included. In particular by varying the number of sources and the strength of the deflection in extragalactic magnetic fields, the transition from an anisotropic to an isotropic distribution of arrival directions can be modeled. Assuming that the cosmic rays are protons, a lower limit on the strength of the deflection in the extragalactic magnetic field of 20 deg Mpc^-1/2 EeV is set from comparison of the modeled scenarios with the observed distributions.

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