Ultra-high-energy cosmic rays

被引:127
作者
Anchordoqui, Luis A. [1 ,2 ,3 ]
机构
[1] CUNY, Dept Phys & Astron, Lehman Coll, New York, NY 10468 USA
[2] CUNY, Dept Phys, Grad Ctr, New York, NY 10016 USA
[3] Amer Museum Nat Hist, Dept Astrophys, New York, NY 10024 USA
来源
PHYSICS REPORTS-REVIEW SECTION OF PHYSICS LETTERS | 2019年 / 801卷
基金
美国国家科学基金会; 美国国家航空航天局;
关键词
Ultra-high-energy astrophysical phenomena; Extensive air showers; DIFFUSIVE SHOCK ACCELERATION; ACTIVE GALACTIC NUCLEI; TRANSVERSE-MOMENTUM SECONDARIES; MICROWAVE BACKGROUND-RADIATION; SEYFERT-STARBURST CONNECTION; INELASTIC EP SCATTERING; LARGE-SCALE OUTFLOWS; X-RAY; PARTICLE-ACCELERATION; MAGNETIC-FIELDS;
D O I
10.1016/j.physrep.2019.01.002
中图分类号
O4 [物理学];
学科分类号
0702 ;
摘要
In this report we review the important progress made in recent years towards understanding the experimental data on ultra-high-energy (E greater than or similar to 10(9) GeV) cosmic rays. We begin with a general survey of the available data, including a description of the energy spectrum, the nuclear composition, and the distribution of arrival directions. At this point we also give a synopsis of experimental techniques. After that, we introduce the fundamentals of cosmic ray acceleration and energy loss during propagation, with a view of discussing the conjectured nearby sources. Next, we survey the state of the art regarding the high- and ultra-high-energy cosmic neutrinos which may be produced in association with the observed cosmic rays. These neutrinos could constitute key messengers identifying currently unknown cosmic accelerators, possibly in the distant universe, because their propagation is not influenced by background photon or magnetic fields. Subsequently, we summarize the phenomenology of cosmic ray air showers. We describe the hadronic interaction models used to extrapolate results from collider data to ultra-high energies and the main electromagnetic processes that govern the longitudinal shower evolution. Armed with these two principal shower ingredients and motivation from the underlying physics, we describe the different methods proposed to distinguish the primary particle species. In the end, we explore how ultra-high-energy cosmic rays can be used as probes of beyond standard model physics models. (C) 2019 Elsevier B.V. All rights reserved.
引用
收藏
页码:1 / 93
页数:93
相关论文
共 712 条
[1]   Testing Hadronic Interactions at Ultrahigh Energies with Air Showers Measured by the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Ahn, E. J. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Allen, J. D. ;
Allison, P. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Ambrosio, M. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Arqueros, F. ;
Arsene, N. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bluemmer, H. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. ;
Bretz, T. ;
Bridgeman, A. ;
Briechle, F. L. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2016, 117 (19)
[2]   Large-scale Cosmic-Ray Anisotropies above 4 EeV Measured by the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Albury, J. M. ;
Allekotte, I. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Balaceanu, A. ;
Barbato, F. ;
Barreira Luz, R. J. ;
Baur, S. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, M. ;
Bonifazi, C. ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Bretz, T. ;
Bridgeman, A. ;
Briechle, F. L. ;
Buchholz, P. ;
Bueno, A. ;
Buitink, S. ;
Buscemi, M. ;
Caballero-Mora, K. S. ;
Caccianiga, L. ;
Calcagni, L. ;
Cancio, A. ;
Canfora, F. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2018, 868 (01)
[3]   Inferences on mass composition and tests of hadronic interactions from 0.3 to 100 EeV using the water-Cherenkov detectors of the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Arqueros, F. ;
Arsene, N. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Balaceanu, A. ;
Barbato, F. ;
Barreira Luz, R. J. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. ;
Bretz, T. ;
Bridgeman, A. ;
Briechle, F. L. ;
Buchholz, P. ;
Bueno, A. ;
Buitink, S. ;
Buscemi, M. .
PHYSICAL REVIEW D, 2017, 96 (12)
[4]   Search for photons with energies above 1018 eV using the hybrid detector of the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Arqueros, F. ;
Arsene, N. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Balaceanu, A. ;
Barreira Luz, R. J. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. ;
Bretz, T. ;
Bridgeman, A. ;
Briechle, F. L. ;
Buchholz, P. ;
Bueno, A. ;
Buitink, S. ;
Buscemi, M. .
JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS, 2017, (04)
[5]   Evidence for a mixed mass composition at the 'ankle' in the cosmic-ray spectrum [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Ahn, E. J. ;
AlSamarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Allison, P. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Ambrosio, M. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Arqueros, F. ;
Arsene, N. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Balaceanu, A. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. ;
Bretz, T. ;
Bridgeman, A. ;
Briechle, F. L. ;
Buchholz, P. .
PHYSICS LETTERS B, 2016, 762 :288-295
[6]   Ultrahigh-energy neutrino follow-up of gravitational wave events GW150914 and GW151226 with the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Ambrosio, M. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Arqueros, F. ;
Arsene, N. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Balaceanu, A. ;
Barreira Luz, R. J. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. ;
Bretz, T. ;
Bridgeman, A. ;
Briechle, F. L. ;
Buchholz, P. ;
Bueno, A. .
PHYSICAL REVIEW D, 2016, 94 (12)
[7]   Improved limit to the diffuse flux of ultrahigh energy neutrinos from the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Ahn, E. J. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Allison, P. ;
Almela, A. ;
Castillo, J. Alvarez ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Batista, R. Alves ;
Ambrosio, M. ;
Aminaei, A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Aranda, V. M. ;
Arqueros, F. ;
Arsene, N. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Ave, M. ;
Avenier, M. ;
Avila, G. ;
Awal, N. ;
Badescu, A. M. ;
Barber, K. B. ;
Baeuml, J. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blanco, M. ;
Bleve, C. ;
Bluemer, H. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Borodi, N. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. .
PHYSICAL REVIEW D, 2015, 91 (09)
[8]   SEARCHES FOR ANISOTROPIES IN THE ARRIVAL DIRECTIONS OF THE HIGHEST ENERGY COSMIC RAYS DETECTED BY THE PIERRE AUGER OBSERVATORY [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Ahn, E. J. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Allen, J. ;
Allison, P. ;
Almela, A. ;
Castillo, J. Alvarez ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Batista, R. Alves ;
Ambrosio, M. ;
Aminaei, A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Aranda, V. M. ;
Arqueros, F. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Ave, M. ;
Avenier, M. ;
Avila, G. ;
Awal, N. ;
Badescu, A. M. ;
Barber, K. B. ;
Baeuml, J. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, M. ;
Bleve, C. ;
Bluemer, H. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Bonino, R. ;
Borodai, N. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2015, 804 (01)
[9]   LARGE SCALE DISTRIBUTION OF ULTRA HIGH ENERGY COSMIC RAYS DETECTED AT THE PIERRE AUGER OBSERVATORY WITH ZENITH ANGLES UP TO 80° [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Ahn, E. J. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Allen, J. ;
Allison, P. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Batista, R. Alves ;
Ambrosio, M. ;
Aminaei, A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Aranda, M. ;
Arqueros, F. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Ave, M. ;
Avenier, M. ;
Avila, G. ;
Awal, N. ;
Badescu, A. M. ;
Barber, K. B. ;
Baeuml, J. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, M. ;
Bleve, C. ;
Bluemer, H. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Bonino, R. ;
Borodai, N. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL, 2015, 802 (02)
[10]   Muons in air showers at the Pierre Auger Observatory: Mean number in highly inclined events [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Ahn, E. J. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Allen, J. ;
Allison, P. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Batista, R. Alves ;
Ambrosio, M. ;
Aminaei, A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Aranda, V. M. ;
Arqueros, F. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Ave, M. ;
Avenier, M. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Barber, K. B. ;
Baeuml, J. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Blanco, M. ;
Bleve, C. ;
Bluemer, H. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Bonino, R. ;
Borodai, N. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. ;
Brogueira, P. ;
Brown, W. C. .
PHYSICAL REVIEW D, 2015, 91 (03)