Formation and propagation of cosmic-ray ensembles

Abstract

Cząsteczki o wysokich energiach oddziałują z materią, polami elektromagnetycznymi i promieniowaniem podczas propagacji we Wszechświecie. W efekcie inicjują˛ kaskady cząstek różnego typu i wielkości; w niniejszej pracy kaskady te nazywane są zespołami promieniowania kosmicznego (ang. cosmic-ray ensembles - CRE). Cząstki tworzące CRE są przekaźnikami informacji o podstawowych procesach fizycznych, dlatego ważne jest, aby ustalić, w jakich okolicznościach mogą˛ dotrzeć do Ziemi i zostać wykryte za pomocą dostępnej lub możliwej infrastruktury. Wynik tej wiedzy może pomóc w otwarciu nowego obszaru badań zjawisk astrofizycznych - globalnych obserwacji skorelowanych promieni kosmicznych jako uzupełnienia obecnego podejścia skoncentrowanego na wykrywaniu i analizie pojedynczych cząstek. Od niedawna współpraca Cosmic-Ray Extremely Distri- buted Observatory (CREDO) ma na celu realizacje˛ misji poświęconej CRE, a badania przedstawione w niniejszej pracy są˛ częścią programu CREDO. Celem pracy jest wykonanie symulacji powstawania i propagacji CRE w określonych warunkach astrofizycznych oraz wskazanie potencjalnych scenariuszy sprzyjających możliwości wykrywania CRE. Skupiono się na wysokoenergetycznych elektronach, które, jak się˛ uważa, odgrywają˛ ważną˛ rolę w procesach fizycznych prowadzących do rozwoju CRE, a także zachodzących w trakcie ich powstawania. Główną metodą tego badania są˛ symulacje komputerowe łańcucha interakcji, którym podlega cząstka pierwotna podczas propagacji w przestrzeni międzygwiazdowej. Głównym narzędziem zastosowanym w badaniach jest publicznie dostępny i szeroko stosowany kod Monte Carlo CRPropa 3. Na potrzeby niniejszej pracy opracowano nowy algorytm o nazwie CRE-Pro, zapewniający zewnętrzną symulację kształtu i wielkości CRE. Może być on używany do analizowania wyników CRPropa lub podobnych kodów symulujących kaskady elektromagnetyczne, rozszerzając zakres ich stosowalności i oszczędzając zasoby obliczeniowe. W rozprawie przedstawiono wyniki symulacji i analiz CRE powstających w ramach wybranych scenariuszy astrofizycznych z wykorzystaniem opisanego powyżej oprogramowania. Wykazano, że może istnieć szansa zaobserwowania CRE złożonych z fotonów promieniowania synchrotronowego emitowanych nawet w stosunkowo dużych odległościach od Ziemi, np. przekraczających rozmiar Galaktyki. Wynik ten otwiera nowe perspektywy badawcze w obszarze astrofizyki cząstek, wskazując w szczególności na możliwe poszerzenie horyzontu obserwacji wysokoenergetycznych promieni kosmicznych, na nowe możliwości weryfikacji określonych scenariuszy astrofizycznych, a także na nowe strategie badawcze odnoszące się do podstawowych procesów fizycznych zachodzących w warunkach niemożliwych do odtworzenia w ziemskich laboratoriach.

High-energy particles interact with matter, electromagnetic fields and radiation while propagating through the Universe. As a result, they initiate particle cascades of various types and sizes; in the thesis, these cascades are referred to as cosmic-ray ensembles (CRE). Particles constituting CRE are messengers of the primary physical processes, thus it is important to establish in which circumstances they can reach the Earth and be detected using available or possible infrastructure. The outcome of this knowledge could help opening a new channel of studying astrophysics phenomena – correlated observations of cosmic rays on the global scale – to complement the present approach focused on detection and analysis of individual particles. Since recently, Cosmic-Ray Extremely Distributed Observatory (CREDO) Collaboration aims at pursuing a mission dedicated to CRE, and the research presented in the thesis is a part of the CREDO program. The aim of the study is to simulate the formation and propagation of CRE in specific astrophysical conditions and to identify potential scenarios favorable for the detection of CRE. The focus was on high-energy electrons that are believed to play an important role in the physical processes that lead to CRE development and also during their formation. The main method of this study is computer simulation of the interaction chain that the primary particle undergoes as it propagates through the interstellar space. The main tool used in the research is the publicly available and widely used Monte Carlo CRPropa 3 code. For the purposes of this work, a new algorithm called CRE-Pro was developed, providing external simulation of the shape and size of CRE. It can be used to analyze the results of CRPropa or similar codes simulating electromagnetic cascades, expanding their applicability and saving computing resources. The thesis presents the results of simulations and CRE analyzes created within selected astrophysical scenarios with the use of the software described above. It has been shown that there may be a chance of observing CRE composed of synchrotron radiation photons emitted even at relatively large distances from the Earth, e.g. exceeding the size of the Galaxy. This result opens up new research perspectives in the field of particle astrophysics, pointing in particular to the possible extension of the observation horizon of high-energy cosmic rays, new possibilities for verifying certain astrophysical scenarios, as well as new research strategies relating to basic physical processes occurring under conditions impossible to reproduce in Earth laboratories.