Research on the High-Energy Cosmic-Ray Anisotropies and Their Origins

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. Die 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.