Probing the extragalactic cosmic-ray origin with gamma-ray - PowerPoint PPT Presentation

Probing ¡the ¡extragalactic ¡cosmic-­‑ray ¡origin ¡with ¡ gamma-­‑ray ¡and ¡neutrino ¡backgrounds ¡ ¡ N. Globus, D. Allard, E. Parizot and T. Piran, 2017, ApJ Letters, 839, 2 PoS (ICRC2017) 516

Gamma-­‑ray ¡and ¡neutrinos ¡as ¡probe ¡of ¡UHECR ¡sources ¡ source The UHECRs interact with 1) extragalactic magnetic fields 2) extragalactic photon backgrounds ν , γ energy ¡losses ¡ => ¡emission ¡of ¡ ¡ secondary ¡messengers ν , γ ν , γ ICRC ¡2017, ¡12-­‑20 ¡July, ¡Bexco, ¡Busan, ¡Korea ¡

ElectromagneBc ¡cascades ¡ e + γ EBL à ¡ e ' + γ ICS γ + γ EBL à ¡ e + +e - pair production =>The ¡ ν s ¡energy ¡range ¡is ¡PeV-­‑EeV, ¡the ¡ γ -­‑rays ¡cascade ¡down ¡to ¡GeV-­‑TeV ¡ ¡ ¡ => ¡The ¡cosmic ¡evolu/on ¡of ¡cosmic-­‑ray ¡sources ¡ have ¡a ¡strong ¡influence ¡on ¡the ¡cosmogenic ¡ neutrinos ¡and ¡photons ¡fluxes ¡ Allard ¡05 ¡ ICRC ¡2017, ¡12-­‑20 ¡July, ¡Bexco, ¡Busan, ¡Korea ¡

Mixed ¡composition ¡model ¡ Injec/on ¡spectra ¡(EGCR) ¡ Propagated ¡spectrum ¡ 10 25 KG EPOS-LHC Total extragal. (GRBs) with β = 2.0 to 2.5 (indicated) KG electron rich (H+He) Total ¡Galac/c ¡+ ¡extragalac/c ¡ Total Gal + extragal. (GRBs) with β = 2.4 and β = 2.5 E 3 dN/dE (eV 2 m -2 s -1 sr -1 ) Auger (2013) 10 24 2.5 2.4 Total ¡light ¡(H+He) ¡ 10 23 H+He Gal + extragal (GRBs) β = 2.4 and 2.5 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 log 10 E (eV) Phenomenological ¡mixed ¡composi/on ¡model: ¡ ¡ 1) ¡EGCR: ¡ hard ¡nuclei ¡spectra ¡+ ¡spectral ¡index ¡of ¡the ¡proton ¡component ¡2.0 ¡< ¡ β < ¡2.5 ¡ The ¡proton ¡spectrum ¡needs ¡to ¡be ¡soMer ¡to ¡fit ¡Kascade-­‑GRANDE ¡data ¡=> ¡it ¡will ¡contribute ¡significantly ¡to ¡the ¡ expected ¡cosmogenic ¡γ-­‑ray ¡flux ¡ ¡ "Low-­‑E max " ¡model ¡=> ¡less ¡ ν s ¡ due ¡to ¡the ¡lack ¡of ¡cosmic ¡rays ¡accelerated ¡above ¡the ¡pion ¡producBon ¡threshold ¡ ¡ ¡ 2) ¡GCR: ¡ rigidity ¡dependent ¡(E max (p) ¡= ¡knee ¡energy) ¡ ICRC ¡2017, ¡12-­‑20 ¡July, ¡Bexco, ¡Busan, ¡Korea ¡

Resulting ¡gamma-­‑ray ¡fluxes ¡ UHECR (GRBs) + misAGN + SFG + blazars 1000 UHECR (non evol) + misAGN + SFG + blazars blazars E 2 J(E) [eV.cm -2 .sec -1 .sr -1 ] misAGN 100 SFG sum of all contributions UHECR from GRBs, β = 2.0 to 2.5 - SFGs ( Ackermann et al. 2012, Fermi Collab. ) - misaligned AGNs ( Inoue 2011 ) - blazars ( Ajello et al. 2015 ) 10 seems compatible with Model B... UHECR from non evolving sources, β = 2.0 to 2.5 Two different models for the Galactic foreground (Ackermann+ ¡2015) ¡ ¡ EGB Model A Model B uncertainties in the modeling of the Galactic foreground 1 10 9 10 10 10 11 10 12 Globus, Allard, Parizot and Piran 2017, E (eV) ApJ ¡LeZers, ¡839, ¡2 ¡ ¡ ICRC ¡2017, ¡12-­‑20 ¡July, ¡Bexco, ¡Busan, ¡Korea ¡

Resulting ¡gamma-­‑ray ¡fluxes ¡(GRB ¡or ¡SFR) ¡ 1000 EGRB Model A Model B E 2 J(E) [eV.cm -2 .sec -1 .sr -1 ] uncertainties in the modeling of the Galactic foreground UHECR (GRBs) + other contributions UHECR (GRBs) + lower limit of other contributions other contributions (SFG + misAGN + blazars) lower limit of other contributions UHECR (GRBs) ( β = 2.0 to 2.5) ...even compatible with Model A 100 if one consider the uncertainties on the SFG, misAGN and blazars models 10 9 10 10 10 11 10 12 E (eV) + uncertainties in the Galactic foreground ? ICRC ¡2017, ¡12-­‑20 ¡July, ¡Bexco, ¡Busan, ¡Korea ¡

What ¡about ¡most ¡recent ¡estimates ¡of ¡PS ¡contributions ¡? ¡ ¡ 2 recent studies: - Ackermann et al. 2016 ( A16 ) - Zechlin et al. 2016 ( Z16 ) (based on a method by Malyshev & Hogg 2011) ( Z16 ) ¡ ( A16 ) ICRC ¡2017, ¡12-­‑20 ¡July, ¡Bexco, ¡Busan, ¡Korea ¡

What ¡about ¡most ¡recent ¡estimates ¡of ¡PS ¡contributions ¡? ¡ ¡ 2 recent studies: - Ackermann et al. 2016 ( A16 ) - Zechlin et al. 2016 ( Z16 ) (based on a method by Malyshev & Hogg 2011) ( Z16 ) ¡ ( A16 ) ICRC ¡2017, ¡12-­‑20 ¡July, ¡Bexco, ¡Busan, ¡Korea ¡

Allowed ¡cosmological ¡evolutions ¡ 4.0 % all contributions to EGB Model A % all contributions to EGB Model B Band 4 (10.4 - 50 GeV) 3.5 Central value of PS+misAGN+SFG models 3.0 GRB 2.5 z max 104% 117% % 143% 156% % 0 9 3 6 1 1 2.0 % 110% 120% % 80% 90% 0 0 0 3 1 1 1.5 HLLAGN TDEs? ¡ MLLAGN 1.0 BL Lacs SFR clusters 0.5 0 1 2 3 4 5 6 α ICRC ¡2017, ¡12-­‑20 ¡July, ¡Bexco, ¡Busan, ¡Korea ¡

Resulting ¡neutrinos ¡fluxes ¡ mixed ¡composition ¡ mixed composition E 2 J(E) [eV.cm -2 .sec -1 .sr -1 ] GRB (as main UHECR sources) 100.00 non evol. (as main UHECR sources) IceCube ARIANNA (5 yrs) 10.00 GRAND (3 yrs) 1.00 0.10 2.5 0.01 β = 2.0 β 10 15 10 16 10 17 10 18 10 19 10 20 E (eV) pure ¡protons ¡ pure proton sources E 2 J(E) [eV.cm -2 .sec -1 .sr -1 ] GRB (as main UHECR sources) 100.00 non evol. (as main UHECR sources) IceCube FR-II (as main UHECR sources) ARIANNA (5 yrs) 10.00 GRAND (3 yrs) 1.00 0.10 0.01 10 15 10 16 10 17 10 18 10 19 10 20 E (eV) ICRC ¡2017, ¡12-­‑20 ¡July, ¡Bexco, ¡Busan, ¡Korea ¡

Summary ¡ - The mixed composition model is compatible with the spectrum and composition data (Globus, Allard, Parizot Phys. Rev. D 92, 021302) and is consistent with the anisotropy constraints on galactic protons (Tinyakov +16) ¡ - We showed that this model is compatible with both the most recent Fermi-LAT measurements and with current IceCube limits (Globus, Allard, Parizot & Piran ApJ ¡LeZers, ¡839, ¡2) Only very strong evolution (FR-II) are excluded by the current observations - There is a large uncertainty in the Galactic foreground subtraction => neutrinos will help us to distinguish between models (proton "dip" model seems to be already ruled out for SFR and stronger evolution see Heinze +16) ICRC ¡2017, ¡12-­‑20 ¡July, ¡Bexco, ¡Busan, ¡Korea ¡

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Resulting ¡composition ¡ Globus, Allard and Parizot, 2015, Phys. ¡Rev. ¡D ¡92, ¡021302 ¡ ¡ ¡ 1.00 850 80 EPOS-LHC EPOS-LHC proton 1 H QGSJet II-4 QGSJet II-4 proton SIBYLL 2.1 SIBYLL 2.1 800 Relative abundance 60 < X max > (g. cm -2 ) σ X max (g. cm -2 ) Z=3-8 750 0.10 40 700 He Z=21-26 Fe 650 20 Fe LOFAR Z=21-26 1 H galactic 600 Auger galactic 0.01 0 15 16 17 18 19 20 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0 19.5 20.0 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0 19.5 20.0 log 10 E (eV) log 10 E (eV) log 10 E (eV) ⇒ The ¡model ¡provides ¡a ¡good ¡descrip/on ¡of ¡the ¡evolu/on ¡of ¡the ¡composi/on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡PredicBon: ¡the ¡dominant ¡class ¡of ¡nuclei ¡between ¡ ¡ ∼ 6 ¡10 18 ¡eV ¡and ¡ ∼ 5 ¡10 19 ¡eV ¡should ¡be ¡CNO ¡ ICRC ¡2017, ¡12-­‑20 ¡July, ¡Bexco, ¡Busan, ¡Korea ¡

Extragalactic γ -ray sources • resolved : blazars • unresolved : misaligned AGNs, SFGs,... • truly diffuse in origin : - the electromagnetic cascades initiated by both very high energy γ -rays and UHECRs interacting with the EBL - dark matter annihilation/decay (Ackermann ¡et ¡al. ¡2015) ¡ ¡ (Ackermann ¡et ¡al. ¡2015) ¡ ¡ EGRB ¡spectrum ¡by ¡Fermi ¡Large ¡Area ¡Telescope ¡(Fermi ¡LAT) ¡ collaboraBon ¡between ¡100 ¡MeV ¡and ¡820 ¡GeV ¡

Comparison ¡with ¡total ¡EGB ¡ ¡ (considering ¡the ¡mean ¡values ¡of ¡the ¡SFG+misAGN ¡models) ¡ ¡