Published December 3, 2021 | Version v1
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Models of multi-messenger source of cosmic rays, gamma-rays and neutrinos

Description

Cosmic rays up to knee energy around 4 PeV, at which their spectrum sharply steepens, are believed to be produced in Milky Way Galaxy from supernovae explosions. Recently it was understood that the large scale magnetic field of the Galaxy plays crucial role in the anisotropic diffusion of cosmic rays and helps them to escape from the Galaxy. Such anisotropic diffusion leads to a much smaller number of sources contributing locally. Furthermore, only a small fraction of supernovae can accelerate to PeV energies. Together with anisotropic diffusion this leads to significant or even dominated contribution of individual sources to local cosmic ray spectrum around the knee. We model the contribution of the nearest young supernova remnant Vela to the local CRs flux taking into account both the influence of the Local Bubble and the effect of anisotropic diffusion. We found that the magnetic field in the bubble wall prevents low-energy particles penetrate into the bubble, leading to an energy-dependent suppression of CRs from Vela inside the bubble. We recovered the knee observed in the CRs spectrum of energy 3-5 PeV. By the contribution of Vela and an older local source of 2-3 Myr supernova we were able to explain the CRs spectrum from TeV to 100 PeV. Then, We studied secondary neutrinos and gamma rays produced by interaction of cosmic rays with energies up to PeV in the wall of the Local Bubble. We show that such a scenario can generate a substantial fraction of the observed astrophysical high-energy neutrino flux below ∼ few x 100 TeV. Finally, we extend our study to all other young supernovae remnants at less than 1 kpc from us. We calculated the CRs density around each source, assuming anisotropic diffusion. We used recent models of dust distribution in the local ISM extracted from extinction studies of Gaia data. Combining the obtained CRs densities with the matter distribution deduced from extinction maps, we found two prominent hot spots: One of them is close to the highest intensity hot spot in IceCube 10 years data. (author)

Abstract (French)

On pense que les rayons cosmiques jusqu'a l'energie du 'genou' autour de 4 PeV, ou le spectre change d'index, sont produits dans la Voie lactee a partir d'explosions de supernova. Recemment, il a ete admis que le champ magnetique galactique regulier a grande echelle joue un role crucial dans la diffusion anisotrope des rayons cosmiques et les aide a s'echapper de la galaxie. Une telle diffusion anisotrope conduit a un nombre beaucoup plus petit de sources contribuant a n'importe quel point de la galaxie. Cependant, seule une petite fraction de supernova peut accelerer jusu'aux energies PeV. Avec la diffusion anisotrope, cela conduit a une contribution significative ou meme dominee des sources individuelles au spectre local des rayons cosmiques autour du 'genou'. Dans ce travail, nous modelisons la contribution du remanent de supernova Vela, etant la plus proche de notre systeme solaire, et nous calculons le flux local de rayons cosmiques recus en tenant compte a la fois de l'influence de la Bulle Locale et de l'effet d'une diffusion anisotrope. Nous avons constate que le champ magnetique dans la paroi de la bulle empeche les particules de faibles energies de penetrer dans la bulle, entrainant une suppression dependant de l'energie des rayons cosmiques de Vela a l'interieur de la bulle. Nous avons reussi a reconstituer le 'genou' observe dans le spectre des rayons cosmiques d'energie 4-5 PeV. Grace a la contribution de Vela et d'une source locale plus ancienne de 2-3 Myr, nous avons pu expliquer le spectre des rayons cosmiques de TeV a 100 PeV. Ensuite, nous avons etudie la production de particules secondaires telles que les neutrinos et les rayons gamma issus de l'interaction des rayons cosmiques avec des energies allant jusqu'au PeV dans la paroi de la Bulle Locale. Nous montrons qu'un tel scenario peut generer une fraction substantielle du flux astrophysique de neutrinos de haute energie observes en dessous de quelques centaines de TeV. Enfin, nous etendons notre etude a toutes les autres jeunes supernovas a moins de 1 kpc de nous. Nous avons calcule la densite de rayons cosmiques autour de chaque source, en supposant une diffusion anisotrope. Nous avons utilise des modeles recents de distribution de poussiere dans le milieu interstellaire local extrait d'etudes d'extinction issues des donnees de Gaia. En combinant les densites de rayons cosmiques obtenues avec la distribution de matiere deduite des cartes d'extinction, nous trouvons deux hotspots importants: l'un des deux est proche du point le plus significatif de la recherche de sources ponctuelles de IceCube. (auteur)

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Original title (English)
Modeles multimessager de source de rayon cosmiques de rayons gamma et de neutrinos

Publishing Information

Imprint Pagination
188 p.
Report number
FRNC-TH--13866

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Notes
221 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses