Abstract:
In den letzten Jahrzehnten sind in der kosmischen Strahlungs-Physik mehrere offene Fragen deutlich geworden, insbesondere hinsichtlich des Ursprungs und der Beschleunigungsmechanismen hochenergetischer kosmischer Strahlung. Trotz verbesserter experimenteller Methoden bleiben die genauen Quellen von Teilchen mit Energien oberhalb des PeV-Bereichs unklar. Die Übergangsregion zwischen galaktischer und extragalaktischer kosmischer Strahlung – insbesondere um den Bereich des „Knies“ und des „Knöchels“ des Energiespektrums – wird weiterhin kontrovers diskutiert. Zudem ist der Einfluss galaktischer Magnetfelder auf die Ausbreitung und Anisotropien kosmischer Strahlung noch nicht vollständig verstanden. ... mehrDie Lösung dieser Probleme ist entscheidend, um die grundlegenden Prozesse der Beschleunigung und Ausbreitung kosmischer Strahlung im Universum zu verstehen.
Kosmische-Strahlungs-Anisotropie ist ein weiterer wichtiger Aspekt zur Erklärung des Ursprungs kosmischer Strahlung und ihrer Bewegung im Raum. Anisotropien, die auf kleinen wie auch großen Skalen über verschiedene Energiebereiche hinweg beobachtet werden, liefern wertvolle Informationen über die Quellen kosmischer Strahlung und die Magnetfelder, die sie durchquert. Bei niedrigen Energien (unterhalb weniger TeV) werden großskalige Anisotropien wahrscheinlich durch die Verteilung naher Quellen und die Struktur des lokalen interstellaren Magnetfelds beeinflusst. Bei höheren Energien, insbesondere nahe dem „Knie“, werden die Anisotropien hingegen ausgeprägter und schwerer erklärbar, was auf komplexere Transportprozesse und mögliche nahe galaktische Quellen hinweist. Jenseits des „Knöchels“ nimmt die Anisotropie ab, was auf einen möglichen extragalaktischen Ursprung in diesem Bereich hindeutet, auch wenn dieser Übergang weiterhin untersucht wird. Zudem können kleinskalige Anisotropien, wie sie von Experimenten wie Tibet AS$\gamma$ und IceCube beobachtet wurden, helfen, lokalisierte Quellen kosmischer Strahlung zu identifizieren und die Rolle der Turbulenz des Magnetfelds bei ihrer Ausbreitung zu beleuchten.
In dieser Dissertation wird zuerst die Empfindlichkeit des zukünftigen IceCube-Gen2-Oberflächenarrays für die Rekonstruktion der kosmischen Strahlungsanisotropie untersucht, und es wird gezeigt, dass IceCube-Gen2 wichtigen zusätzlichen Datenpunkten zum Gesamtbild beitragen wird. Anschließend optimiere ich analytische Methoden zur Rekonstruktion von Anisotropien der kosmischen Strahlung und zur Identifizierung signifikanter groß- und mittelskaliger Anisotropien oberhalb von $10\,\text{PeV}$ in der Milchstraße. Die Empfindlichkeit der Daten für die Anisotropierekonstruktion wird zunächst mit traditionellen Methoden bewertet; anschließend werden mehrere optimierte Rekonstruktionsverfahren eingeführt, um statistische Einschränkungen zu überwinden und die Unsicherheiten in den rekonstruierten Dipolparametern zu verringern. Ein einheitliches Bild der kosmischen Strahlungsanisotropie wird durch die Kombination von Messungen großer Experimente gewonnen, die sich vom TeV-Bereich bis über EeV-Energien erstrecken. Dadurch ergibt sich eine kontinuierliche und globale Sicht auf die Entwicklung der Dipol-Anisotropien von galaktischen bis zu extragalaktischen Ursprüngen, wobei eine globale funktionale Anpassung der Dipolamplitude eine charakteristische „W-förmige“ Struktur zeigt. Aufgrund begrenzter Statistik bleibt jedoch die Dipolphase zwischen $10^{15}\,\mathrm{eV}$ und $10^{19}\,\mathrm{eV}$ unsicher. Insbesondere im Bereich von $1$ bis $100\,\mathrm{PeV}$ zeigen sich komplexe Phasenvariationen, insbesondere in den KASCADE-Grande-Daten. Die optimierten Methoden werden anschließend auf die KASCADE-Grande-Daten angewendet und zeigen Hinweise auf eine $3\sigma$-Anisotropie bei $33\,\mathrm{PeV}$, was auf Cygnus~OB2 als mögliche Quellregion hindeutet. Ausbreitungsstudien von Cygnus~OB2 zur Erde zeigen eine Übereinstimmung mit der beobachteten Anisotropie bei $33\,\text{PeV}$. Abschließend legt diese Dissertation nahe, dass Pulsarwindnebel (PWNe), die mit Supernovaüberresten (SNRs) assoziiert sind, als natürliche Beschleuniger galaktischer kosmischer Strahlen im PeV-Energiebereich wirken könnten und eine Erklärung für den Ursprung sowie die auf der Erde beobachteten Anisotropien liefern könnten.
Abstract (englisch):
In recent decades, cosmic-ray physics has encountered several unresolved questions, particularly about the origin and acceleration mechanisms of high-energy cosmic rays. Despite improvements in experimental methods, the exact sources of cosmic rays with energies above the PeV scale remain unclear. The transition between Galactic and extragalactic cosmic rays, especially around the “knee” and “ankle” regions of the energy spectrum, continues to be debated. Additionally, the influence of Galactic magnetic fields on cosmic-ray propagation and anisotropies is not fully understood. ... mehrSolving these issues is important for understanding the basic processes behind cosmic-ray acceleration and propagation throughout the universe.
Cosmic-ray anisotropy is another important aspect of research for understanding cosmic-ray origins and their movement through space. Anisotropies, observed on both small and large scales across different energy ranges, provide useful information about cosmic-ray sources and the magnetic fields they travel through. At lower energies (below a few TeV), large-scale anisotropies are likely affected by the distribution of nearby sources and the structure of the local interstellar magnetic field. However, at higher energies, particularly near the “knee”, the anisotropy becomes more noticeable and harder to explain, suggesting more complex transport processes and possible nearby sources of Galactic cosmic rays. Beyond the ankle, anisotropy decreases, hinting at a possible extragalactic origin for cosmic rays in this range, though this transition is still under study. Additionally, small-scale anisotropies observed by experiments such as Tibet AS$\gamma$ and IceCube may help identify localized cosmic-ray sources and shed light on the role of magnetic field turbulence in their propagation.
In this thesis, the sensitivity of the IceCube-Gen2 surface array to cosmic-ray anisotropy reconstruction is investigated, and it is demonstrated that IceCube-Gen2 will contribute important additional data points to the overall picture. In parallel, I then optimize analytical methods for reconstructing cosmic-ray anisotropies and identifying significant large- and medium-scale anisotropies above $10\,\text{PeV}$ in the Milky Way. The sensitivity of the data to anisotropy reconstruction is evaluated using traditional methods, after which several optimized reconstruction techniques are introduced to overcome statistical limitations and reduce uncertainties in the recovered dipole parameters. A unified picture of cosmic-ray anisotropy is obtained by combining measurements from major experiments spanning the TeV domain to beyond EeV energies, ultimately yielding a continuous and global view of the evolution of dipole anisotropies from Galactic to extragalactic origins, and the global fit of the dipole amplitude exhibits a characteristic ``W''--shaped structure. However, limited statistics leave the dipole phase between $10^{15}\,\rm eV$ and $10^{19}\,\mathrm{eV}$ uncertain. In particular, the $1$--$100\,\mathrm{PeV}$ range shows complex phase variations, especially in the KASCADE-Grande data. The optimized methods are then applied to the KASCADE-Grande data, revealing evidence of a $3\sigma$ anisotropy at $33\,\mathrm{PeV}$ and suggesting Cygnus~OB2 as a potential source region. Propagation studies from Cygnus OB2 to Earth likewise show consistency with the observed anisotropy at $33\,\text{PeV}$. In the end, this thesis suggests that pulsar wind nebulae (PWNe) associated with supernova remnants (SNRs) may act as natural accelerators of Galactic cosmic rays in the PeV energy range, and thereby potentially provide an explanation for the origin of their observed anisotropies on Earth.
