Anisotropies of ultra-high energy particles in cosmic magnetic fields

Ultrahochenergetische kosmische Strahlen (UHECRs) sind die energiereichsten Teilchen, die im Universum beobachtet werden. Ihre Ankunftsrichtungen liefern wichtige In- formationen über ihren Ursprung und ihre Ausbreitung. Anisotropien am UHECR- Himmel, die als Abweichungen von der Isotropie auftreten, werden von Ablenkungen der UHECR Teilchen im galaktischen (GMF) und extragalaktischen (EGMF) Magnetfeld beeinflusst.
In dieser Arbeit werden Simulationen durchgeführt, um den Einfluss magnetis- cher Ablenkungen auf die Ankunftsrichtungen von UHECRs zu untersuchen. Dabei werden sowohl die kohärente als auch die turbulente Komponente des GMF sowie der Einfluss des EGMF auf beobachtete anisotrope Strukturen berücksichtigt. ... mehrEine Likelihood-basierte Analyse wird verwendet, um die Kreuzkorrelation zwischen den durch das GMF abgelenkten Ankunftsrichtungen der UHECRs und einem Quellen- modell, Als Quellmodell wird hierbei ein Katalog von Starburst Galaxien verwendet. Diese Analyse liefert Einblicke in die Abweichung von der isotropen Erwartung, wenn die Ablenkung durch das GMF berücksichtigt werden. Zusätzlich werden Anisotropien mittlerer Winkelgröße am UHECR-Himmel untersucht, um Einschränkungen für die Stärke des EGMF abzuleiten. Systematische Scans über den Signalanteil und den von der EGMF verursachten Winkelverschmierung zeigen, dass Szenarien mit minimalen Beiträgen des Feldes und geringen Signalanteilen die beobachteten Daten erfolgreich reproduzieren. Im Gegensatz dazu führen Parameterkonfigurationen mit hohen Sig- nalanteilen und unzureichenden EGMF-Ablenkungen zu signifikanten Überdichten, die von den Beobachtungen abweichen.
Vergleiche zwischen verschiedenen astrophysikalischen Modellen, einschließlich Variationen des GMF, unterstreichen zusätzlich die entscheidende Rolle der Magnet- felder bei der Gestaltung des UHECR-Himmels. Diese Studie bietet einen statistis- chen Rahmen, um die Kreuzkorrelation zwischen UHECR-Anisotropien und Magnet- feldern zu erforschen. Sie schlägt Einschränkungen für die Stärke solcher Felder vor, indem sie die Bereiche für die Winkelstreuung identifiziert, in denen die Häufung von Ereignissen verringert wird, um die beobachteten anisotropen Merkmale am Himmel zu beschreiben..

Ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) are the most energetic particles observed in the Universe, and their arrival directions provide essential information about their origin and propagation. Anisotropies in the UHECR sky, observed as deviations from isotropy, are expected to be influenced by deflections caused by both the Galactic Magnetic Field (GMF) and Extragalactic Magnetic Field (EGMF).
In this work, simulations are performed to study the impact of magnetic deflections on the arrival directions of UHECRs, incorporating both the coherent and turbulent components of the GMF, as well as the influence of the EGMF on observed anisotropic structures. ... mehrA likelihood-based analysis is used to quantify the cross-correlation between the GMF-deflected arrival directions of UHECRs and a source model, given by a catalog of starburst galaxies, providing insights on the deviation from isotropic expectation when angular deflections due to the GMF are included. Additionally, the intermediate- scale anisotropies in the UHECR sky are investigated to place constraints on the strength of the EGMF. Systematic scans over the signal fraction and smearing angle related to the EGMF demonstrate that scenarios with moderate random deflections by the magnetic fields and low signal fractions successfully reproduce the observed data. Conversely, parameter configurations with high signal fractions and small EGMF deflections result in significant overdensities that deviate from observations. Comparisons between different astrophysical models, including variations of the GMF, further highlight the crucial role of magnetic fields in shaping the UHECR sky and thus determine the properties of these fields.
This study offers a statistical framework for exploring the cross-correlation between UHECR anisotropies and magnetic fields, proposing constraints on the strength of such fields by identifying smearing angles for which clustering of events is diluted to match the observed anisotropic features in the sky.