Small-scale anisotropies in cosmic ray arrival directions

Kuhlen, Marco; Mertsch, Philipp; Ahlers, Markus

doi:HT021391678

Small-scale anisotropies in cosmic ray arrival directions = Kleinskalen Anisotropien in der Ankunftsrichtung kosmischer Strahlen

Kuhlen, Marco^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Marco Kuhlen, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Mertsch, Philipp (Thesis advisor)^RWTH* ; Ahlers, Markus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-04-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-05246
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/847322/files/847322.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
cosmic ray anisotropies (frei) ; cosmic ray diffusion (frei) ; cosmic ray transport (frei) ; galactic magnetic field (frei) ; small-scale anisotropies (frei) ; turbulent magnetic field (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 520

Kurzfassung
Die Ankunftsrichtungen der kosmischen TeV-PeV-Strahlung sind bemerkenswert isotrop. Dies ist das Ergebnis eines Random Walks geladener Teilchen durch unsere Galaxie, aufgrund ihrer Streuung an dem turbulenten Magnetfeld. In diesem Standardbild der Diffusion kosmischer Strahlung können zwar kleine Anisotropien existieren können, sie sind jedoch auf die größten Winkelskalen beschränkt. Observatorien wie IceCube und HAWC haben jedoch erhebliche Abweichungen von der Isotropie bis zu Winkelskalen von $\sim 10^\circ$ beobachtet. Die Erklärung dieser Diskrepanz erfordert ein besseres Verständnis des Transports von geladener kosmischer Strahlung in unserer Galaxie. In dieser Arbeit erklären wir die Entstehung von Anisotropien auf kleinen Winkelskalen durch die Betrachtung des korrelierten Transports von Paaren geladener Teilchen durch dieselbe Realisation der Magnetfeldturbulenz. Die Entstehung von Anisotropien auf kleinen Skalen ist ein Spiegelbild der konkreten Realisierung des turbulenten Magnetfeldes, das die geladenen Teilchen, auf Zeitskalen, die zwischen dem frühen ballistischen und späten diffusiven Regime, durchqueren. Das Winkelleistungsspektrum der kosmischen Strahlung kann somit als der Abdruck der lokalen individuellen Magnetfeldrealisierung auf die kosmische Strahlung Verteilung verstanden werden. Wir untersuchen diesen Effekt mit zwei verschiedenen Ansätzen. Erstens führen wir numerische Testteilchensimulationen durch, bei denen wir geladene Teilchen durch synthetische Magnetfeldturbulenz propagieren. Zum ersten Mal sind wir in der Lage die Karte der Ankunftsrichtungen der kosmischen Strahlung, bei den magnetischen Steifigkeiten, die den die den Beobachtungen entsprechen, zu präsentieren. Zweitens berechnen wir das Winkel-Leistungsspektrum der Ankunftsrichtung der kosmischen Strahlung analytisch, indem wir den kürzlich eingeführte Mischungsmatrix-Ansatz erweitern. In diesem Formalismus werden die Korrelationen der Teilchentrajektorien explizit berücksichtigt. Wir zeigen, dass die unter der Annahme von eindimensionaler statischer Turbulenz erwarteten Anisotropien gut mit den Ergebnissen der numerischen Testteilchensimulationen übereinstimmen. In Zukunft wird das Winkel-Leistungsspektrum ein wertvolles Instrument um die Eigenschaften des lokalen Magnetfelds zu verstehen.

The arrival directions of TeV-PeV cosmic rays are remarkably isotropic. This is understood to be the result of charged particles performing a random walk through our galaxy due to their scattering on the turbulent magnetic field. While in this standard picture of cosmic ray diffusion small anisotropies can exist, they are limited to the largest angular scales. High-statistics observatories like IceCube and HAWC however, have detected significant deviations from isotropy down to angular scales as small as $10^\circ$. Resolving this contradiction requires a better understanding of the transport of charged cosmic rays in our galaxy. In this thesis, we explain the formation of anisotropies on small angular scales by considering the correlated transport of pairs of cosmic rays through the same realization of magnetic field turbulence. The creation of small-scale anisotropies, we argue, is a reflection of the unique manifestation of the turbulent magnetic field experienced by cosmic rays on time scales in between the early ballistic and late diffusive regimes of cosmic ray transport. The angular power spectrum of cosmic rays can thus be understood as the imprint of the local individual magnetic field realization on the cosmic ray distribution. We investigate this effect using two distinct approaches. First, we run numerical test particle simulations, propagating charged particles through synthetic magnetic field turbulence. For the first time, we are able to show the map of cosmic ray arrival directions at the TV rigidities corresponding to the observations. To resolve the large dynamical range of the turbulent magnetic field required, we set up the magnetic field using nested grids with different resolutions. Second, we compute the angular power spectrum of cosmic ray arrival directions analytically by using a perturbative diagrammatic approach. In this formalism the correlations of the particle trajectories are taken into account explicitly. We show that, for the assumption of magneto-static slab-like magnetic field turbulence, small-scale anisotropies from the correlated transport of charged cosmic rays through turbulent magnetic fields are expected and find excellent agreement with the angular power spectra from the numerical test particle simulations. Due to their unique sensitivity, measurements of the anisotropies in the arrival directions of cosmic rays will prove to be an invaluable tool to constrain the properties of the turbulent magnetic field in our galactic neighborhood.

OpenAccess:
PDF
(additional files)