A study of Ultra-High-Energy Cosmic Ray propagation in one-dimensional simulations

Abstract

Cosmic Rays have come to play an important role in understanding the universe, and astroparticle physics has undergone major developments in the last few decades. As such, several observatories have been set up with the purpose of detecting these particles, and simulation frameworks have been developed in order to further analyze their behavior by creating highly variable environments and parameters. This work covers the essential theory required to study propagation of Ultra- High-Energy Cosmic Rays restricted to linear one-dimensional propagation only; this includes the primary methods of energy loss during propagation, mainly through reactions with the photon background like photo-pion production and photo-disintegration, and additional cosmological effects. The study was done using the CRPropa 3.0 simulation framework. To determine the best possible maximum energy for the simulations, initial trials were done by testing the GZK cutoff for multiple energy values, followed by an analysis of heavier nuclei propagation. As a final complete test run, a model of the cosmic ray spectrum for energies above 1018 eV was made based on two data sets, one made from the average composition of the whole CR energy spectrum, and the other from The Pierre-Auger Observatory measurements for the high energy range. The results showed that initial source composition was the determining factor in the shape of the CR spectrum. These initial simulations done in this work will set the ground for future more complex simulations and studies.

Los rayos cósmicos juegan un papel importante en nuestro entendimiento del universo, por eso, la física de astropartículas ha sido desarrollada en gran medida en estas últimas décadas. Varios observatorios han sido construidos con el propósito de detectar estas partículas, y a su vez se han desarrollado programas de simulaciones para analizar su comportamiento usando ambientes y variables con una alta variabilidad. Este trabajo cubre la teoría necesaria para estudiar la propagación de rayos cósmicos de ultra-altas energías restringido a una sola dimensión; esto incluye las principales causas de pérdida de energía durante su propagación, principalmente a través de interacciones con el fondo de fotones como la fotoproducción de piones y fotodesintegración, así como otros efectos cosmológicos. Este estudio fue realizado con el programa de simulaciones CRPropa 3.0. Para determinar la mejor energía máxima para las simulaciones, los primeros ensayos comprobaron el límite GZK para múltiples valores de energía, seguido de un análisis de la propagación de núcleos más pesados. A manera de ensayo final, un modelo del espectro de rayos cósmicos para energías mayores a 1018 eV fue hecho basado en dos grupos de datos, uno a partir de la composición general promedio de todo el espectro de energías de los rayos cósmicos, y el otro a partir de mediciones hechas por el observatorio Pierre-Auger para altas energías. Los resultados muestran que la composición inicial de la fuente es el factor determinante en la forma del espectro. Las simulaciones iniciales hechas en este trabajo serán utilizadas como base para futuras y más complejas investigaciones.