مطالعه اندرکنش پرتوهای کیهانی بغایت پرانرژی با فوتون‌های پس زمینه کیهانی توسط کُد شبیه سازی CRPropa 3.0

نوع مقاله: مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

1 هیأت علمی / دانشگاه سمنان

2 دانشکده فیزیک، دانشگاه سمنان

چکیده

در این مقاله با استفاده از کُد شبیه سازی CRPropa3.0 به بررسی طیف ذرات ثانویه تولید شده در اندرکنش پرتوهای کیهانی بغایت پر انرژی، با فوتون‌های پس زمینه می‌پردازیم. اندرکنش ها برای اولیه های آهن و پروتون، و در محدوده انرژی 1018 تا eV 1021 بررسی شده‌اند. تاثیر تغییر انرژی ذرات اولیه، و شاخص طیفی منبع بر روی طیف فوتون‌ها و الکترون‌های ثانویه تولید شده توسط پرتوهای اولیه آهن و پروتون، در اندرکنش‌های تولید فوتوپایون، واپاشی بتا و تولید زوج، مورد بررسی قرار گرفت. همچنین سهم هریک اندرکنش‌ها از انرژی کل پرتوهای اولیه با تغییر این کمیت ها بررسی شد. . مشاهده شد که در اولیه‌های آهن تعداد و میانگین انرژی ذرات ثانویه تولید شده در فوتوپایون، از ثانویه های پروتون کمتر است ولی ذرات حاصل از واپاشی بتا و تولید زوج در اولیه های آهن بیشتر است. برای هر دو اولیه، با کاهش کمینه انرژی ذرات اولیه، سهم اندرکنش های تولید پایون و واپاشی بتا از انرژی کل پرتوهای اولیه کاهش می‌یابد ولی سهم تولید زوج افزایش می‌یابد. همچنین با افزایش شاخص طیفی، به دلیل کاهش شدید ذرات پرانرژی اولیه طیف ذرات حاصل از تمام اندرکنش‌ها و همچنین سهم انرژی همه آنها از انرژی کل اولیه، کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation on UHECR Interactions with cosmic background photons using CRPropa 3.0

نویسنده [English]

  • Hajar Fallahnejad 2
2 Physics department, semnan university, semnan, iran
چکیده [English]

In this paper using simulation code CRPropa3.0, the propagation of 104 primary cosmic rays of proton and iron with energy range of 1018 to 1021 eV have been simulated. The spectra of the secondary photons and electron- positrons generated in the interactions of ultra- high energy cosmic rays (UHECRs) with cosmic background photons are investigated. The photon and electron spectra considered here are generated in photopion production, beta decay, and pair production. The minimum energy of primaries and the spectral index of source injection is changed separately and the effect of these changes on the spectra is investigated. Also, the total primary energy percent which transfers to secondaries, is calculated. It is found that for both primaries, lowering the minimum energy of the primaries, causes decreasing of the secondaries flux, this also results to the decrease of the total energy percent carried by beta and photopion products and the increase of the energy percent of pair production. Finally, in is shown that by increasing the spectral index, the flux and the energy percent of all scondaries decreases for proton and iron primaries.

کلیدواژه‌ها [English]

  • UHECR
  • Hadronic interactions
  • Secondariy particle spectrum
  • CRPropa 3.0
[1] ل. رافضی، گ. رستگارزاده،وابستگی فاصلة بهینه به هندسه آرایه و مشخصات پرتوهای کیهانی، مجلة پژوهش سیستمهای بس‌ذره‌ای، 7، 13، بهار-تابستان(1396) 77-71.

 

 [1] L. Rafezi, G. Rastegarzadeh, Dependence of the optimum distance on array geometry and characteristics of cosmic ray,Journal of Research on Many-body Systems 7 13 (2017) 71-77.

[2] Pierre Auger Collaboration, J. Abraham et al., Measurement of the energy spectrum of cosmic rays above 1018eV using the Pierre Auger Observatory, Physical Letters B 685 (2010) 239.

[3] K. Greisen, End to the cosmic ray spectrum? Physical Review Letters 16 (1966) 748–750.

[4] Pierre Auger Collaboration, A. Aabbasian et al., Highlights from the Pierre Auger Observatory, Brazilian Journal of Physics 44 (2014) 560–570.

[5] Pierre Auger Collaboration, J. Abraham et al., Measurement of the depth of maximum of extensive air showers above 1018eV, Physical Review Letters 104 (2010) 091101.

[6] C.T. Hill, D.N. Schramm, The ultrahigh-energy cosmic ray spectrum, Physical Review D 31 (1985) 564.

[7] R. Aloisio, V. Berezinsky, P. Blasi, A. Gazizov, S. Grigorieva et al., A dip in the UHECR spectrum and the transition from galactic to extragalactic cosmic rays, Astroparticle Physics 27 (2007) 76–91.

[8] K.H. Kampert, J. Kulbartz, L. Maccione, N. Nierstenhoefer, P. Schiffer et al., CRPropa 2.0: a public framework for propagating high energy nuclei, secondary gamma rays and neutrinos, Astroparticle Physics 42 (2013) 41-51.

[9] G. Rastegarzadeh, B. Parvizi, M.Sabouhi, Nutrino-hadron spectrum from the propagation of UHE cosmic rays, European Physics Journal. Plus 130, 74 (2015).

[10] A. Mucke, R. Engel, J.P. Rachen, R.J. Protheroe and T. Stanev, SOPHIA: Monte Carlo simulations of photohadronic processes in astrophysics, Computer Physics Communication 124 (2000).

[11] R.A. Batista, M. Erdmann, C. Evoli, K.H. Kampert, D. Kuempel, G. Müller, G. Sigl, CRPropa3: a public astrophysical simulation framework for propagating Extraterrestrial Ultra-High Energy Particles, Journal of Physics 608 (2015) 012076.

 [12] S. Goriely, S. Hilaire, A.J. Koning, Improved predictions of nuclear reaction rates with the TALYS reaction code for astrophysical applications, Astronomy and Astrophysics 487(2008) 767.

[13] A.J. Koning, S. Hilaire, M. Duijvestijn, TALYS-1.6 user manual, www.talys.eu.

[14] S. Lee, On the Propagation of Extragalactic High Energy Cosmic and γ-Rays Physical Review D 58 (1998) 043004