Propagation of ultra-high-energy cosmic rays and their secondaries with CRPropa

Due to experiments like the Pierre Auger Observatory (Auger) and the Telescope Array (TA), high-statistics data is becoming available on the energy spectrum, the composition and the arrival directions of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs, cosmic rays with energies above ~ 10^17 eV). To interpret this data in terms of actual astrophysical parameters, or to test astrophysical models against the measured data, dedicated simulations of the propagation of UHECRs from their sources to Earth are needed. To this end, the UHECR propagation code called CRPropa has been developed. It can take into account all relevant interactions with ambient photon backgrounds (pair production, photodisintegration and photopion production) as well as nuclear decay, cosmological evolution effects and deflections in extragalactic and galactic magnetic fields. CRPropa, including its newest features, is described in this thesis. When considering the propagation of ultra-high-energy nuclei, the dominant interaction for most isotopes and energies is photodisintegration. Photodisintegration has been implemented in CRPropa for all relevant isotopes (up to iron) and all relevant photodisintegration channels using cross-section calculations with the publicly-available code called TALYS, including extensions for the low mass numbers. This photodisintegration setup is compared here extensively with the photodisintegration scheme developed by Puget, Stecker and Bredekamp, leading to several improvements on the cross sections implemented in CRPropa. In the interactions of UHECRs with background photon fields, secondary neutrinos and photons, so-called cosmogenic neutrinos and photons, can be created. CRPropa can simulate the production and propagation of these secondary particles as well. The IceCube Neutrino Observatory (IceCube) has recently reported the first observation of extraterrestrial neutrinos in the PeV energy range. In this work is investigated whether these neutrinos could have originated as secondaries from UHECR interactions, taking into account limits on the cosmogenic photon flux. We show that the IceCube events are most likely not cosmogenic neutrinos. An additional way to constrain astrophysical models is by looking at the arrival directions of UHECRs. Many different investigations into anisotropies in the UHECR sky have been reported. For instance, Auger has done a search for an equatorial dipole in the UHECR arrival directions. The measured amplitudes of this dipole are compared in this thesis with simulations of realistic scenarios of the UHECR universe. In this way these scenarios can be tested against the measured data. Furthermore, the effects of specific components of the UHECR universe on the dipole amplitude, as e.g. the deflections of UHECRs in galactic and extragalactic magnetic fields and the source density of UHECR sources, are investigated. Here it is shown that, for the investigated scenarios, the deflections in both aforementioned magnetic fields have a significant effect on the expected dipole amplitude, while no strong dependence on the source density has been found. Mit Experimenten wie dem Pierre Auger Observatory (Auger) und dem Telescope Array (TA) ist es moglich, Daten mit einer hohen Statistik fur das Energiespektrum, die Zusammensetzung und die Ankunftsrichtungen ultrahochenergetischer kosmischer Strahlung (ultra-high-energy cosmic rays -- UHECR -- kosmische Strahlung mit Energien uber ~ 10^17 eV) zu erhalten. Um diese Daten in Bezug auf die tatsachlichen astrophysikalischen Parameter zu interpretieren oder um die astrophysikalischen Modelle in Hinblick auf die gesammelten Daten zu uberprufen, sind spezialisierte Simulationen der Ausbreitung von UHECR von ihrer Quelle zur Erde notig. Zu diesem Zweck wurde die UHECR-Propagationssoftware CRPropa entwickelt. Sie berucksichtigt sowohl alle relevanten Wechselwirkungen mit der elektromagnetischen Hintergrundstrahlung (Paarproduktion, Photodisintegration und Photopionproduktion) als auch Kernzerfalle, Effekte der kosmologischen Entwicklung des Universums und Ablenkungen aufgrund von extragalaktischen und galaktischen Magnetfeldern. CRPropa, einschlieslich ihrer neuesten Funktionen, wird in dieser Arbeit beschrieben. Betrachtet man die Ausbreitung ultrahochenergetischer Kerne, so ist die dominierende Wechselwirkung fur die meisten Isotope und Energien die Photodisintegration. Um die Photodisintegration in CRPropa fur alle relevanten Isotope (bis hin zum Eisen) und Reaktionskanale zu implementieren, wurden die Berechnungen unter Einbeziehung der entsprechenden Wirkungsquerschnitte, inklusive der Erweiterung hin zu geringen Massenzahlen, mithilfe der offentlich zuganglichen TALYS-Software durchgefuhrt. Diese Umsetzung der Photodisintegration wurde ausgiebig mit dem Photodisintegrationsschema von Puget, Stecker und Bredekamp verglichen, was zu zahlreichen Verbesserungen der in CRPropa benutzten Wirkungsquerschnitte fuhrte. Die Wechselwirkungen der UHECR mit den elektromagnetischen Hintergrundfeldern konnen dazu fuhren, dass sekundare Neutrinos und Photonen, die sogenannten kosmogenen Neutrinos und Photonen, entstehen, deren Produktion und Propagation CRPropa ebenfalls simulieren kann. Dem IceCube Neutrino Observatory (IceCube) ist es kurzlich gelungen, zum ersten Mal extraterrestrische Neutrinos mit Energien im PeV-Bereich zu beobachten. In der vorliegenden Arbeit wird unter Beachtung der durch den Fluss der kosmogenen Photonen gesetzten Grenzen untersucht, ob diese Neutrinos als Sekundarprodukte von UHECR-Wechselwirkungen entstehen konnten. Wir zeigen, dass die IceCube-Ereignisse hochstwahrscheinlich keine kosmogenen Neutrinos sind. Eine weitere Methode, Einschrankungen an astrophysikalische Modelle zu bestimmen, besteht darin, die Ankunftsrichtungen von UHECR zu betrachten. Dazu wurden zahlreiche Untersuchungen bezuglich der Anisotropien am UHECR-Himmel durchgefuhrt. So hat beispielsweise Auger die Suche nach einem Aquatorialdipol in der Ankunftsrichtungen von UHECR unternommen. Die gemessenen Amplituden dieses Dipols werden in der vorliegenden Arbeit mit Simulationen realistischer Szenarien des UHECR-Universums verglichen. Auf diese Weise konnen diese Szenarien den tatsachlich gemessenen Daten gegenubergestellt werden. Ferner wird die Wirkung bestimmter Bestandteile des UHECR-Universums, wie z.B. der Ablenkung von UHECR in galaktischen und extragalaktischen Magnetfeldern und der Quellendichte der UHECR-Quellen, auf die Dipolamplitude untersucht. Hierbei zeigt sich, dass die Ablenkungen aufgrund der zuvor erwahnten Magnetfelder die erwartete Dipolamplitude in den untersuchten Fallen signifikant beeinflussen, gleichzeitig aber keine starke Abhangigkeit von der Quellendichte besteht.