Neutrinos from gamma-ray bursts, and the multi-messenger connection

• Main Author: Baerwald, Philipp
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2013
• Subjects: Neutrino; Gamma-Burst; UHECR; ddc:530
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/7340; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-85333; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-85333; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/7340/Baerwald_diss.pdf

In this work, we take a look at the connection of gamma-ray bursts (GRBs) and ultra-high-energy cosmic rays (UHECR) as well as the possibilities how to verify this connection. The currently most promising approach is based on the detection of high-energy neutrinos, which are associated with the acceleration of cosmic rays. We detail how the prompt gamma-ray emission is connected to the prediction of a neutrino signal. We focus on the interactions of photons and protons in this regard. At the example of the current ANTARES GRB neutrino analysis, we show the differences between numerical predictions and older analytical methods. Moreover, we discuss the possibilities how cosmic ray particles can escape from GRBs, assuming that UHECR are entirely made up of protons. For this, we compare the commonly assumed neutron escape model with a new component of direct proton escape. Additionally, we will show that the different components, which contribute to the cosmic ray flux, strongly depend on the burst parameters, and test the applicability on some chosen GRBs. In a further step, we continue with the considerations regarding the connection of GRBs and UHECR by connecting the GRB source model with the cosmic ray observations using a simple cosmic ray propagation code. We test if it is possible to achieve the observed cosmic ray energy densities with our simple model and what the consequences are regarding the prompt GRB neutrino flux predictions as well as the cosmogenic neutrinos. Furthermore, we consider the question of neutrino lifetime and how it affects the prompt GRB neutrino flux predictions. In a final chapter, we show that it is possible to apply the basic source model with photohadronic interactions to other types of sources, using the example of the microquasar Cygnus X-3. === In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit dem Zusammenhang von Gammablitzen (GRBs) und ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung (UHECR) sowie mit den Möglichkeiten, wie dieser Zusammenhang überprüft werden kann. Der zur Zeit erfolgsversprechendste Ansatz basiert auf der Detektion von hochenergetischen Neutrinos, die mit der Beschleunigung von kosmischer Strahlung assoziiert werden. Wir zeigen detailliert, wie die prompte Emission im Bereich der Gammastrahlung mit der Voraussage eines Neutrinosignals zusammenhängt. Ein besonderes Augenmerk legen wir hierbei auf die Wechselwirkung von Photonen und Protonen. Am Beispiel der aktuellen Analyse des ANTARES Neutrinoteleskops zu Neutrinos von Gammablitzen zeigen wir, wie sich numerische Voraussagen von älteren analytischen Methoden unterscheiden. Des Weiteren diskutieren wir Möglichkeiten, wie die Teilchen der kosmischen Strahlung aus einem Gammablitz entkommen können, wenn die ultra-hochenergetische kosmische Strahlung nur aus Protonen bestehen würde. Wir vergleichen dazu das meistens angenommene Entkommen in Form von Neutronen mit einer neuen Komponente von direkt ausströmenden Protonen. Auch zeigen wir, dass die unterschiedlichen Komponenten, die zur kosmischen Strahlung beitragen, stark von den verwendeten Parametern der Gammablitze abhängen, und uberprüfen die Modelle an einigen ausgewählten Gammablitzen. In einem weiteren Schritt führen wir die Überlegungen zu dem Zusammenhang von Gammablitzen und ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung fort, in dem wir mittels eines einfachen Propagationscodes für kosmische Strahlung eine Verbindung zwischen dem Quellmodell für Gammablitze und den Beobachtungsdaten der kosmischen Strahlung herstellen. Wir überprüfen, inwieweit sich die beobachteten Energiedichten der kosmischen Strahlung mittels unseres einfachen Modells realisieren lassen und welche Konsequenzen dies für die Voraussagen der prompten Neutrinoemission von Gammablitzen sowie den kosmogenischen Neutrinos hat. Außerdem gehen wir der Frage nach, wie die vorausgesagten prompten Neutrinoflüsse von einer endlichen Lebenszeit der Neutrinos beeinflusst werden würden. In einem letzten Kapitel übertragen wir das verwendete grundlegende Quellmodell mit photohadronischen Wechselwirkungen auf eine andere Klasse von Quellen, am Beispiel von Voraussagen fürden Mikroquasar Cygnus X-3.