Cosmic rays at the highest energies: exploring new astrophysics and astroparticle phenomena for the interpretation of recent composition experimental data

Abstract

This thesis addresses two central and persistent challenges in ultra-high-energy cosmic ray (UHECR) physics: (i) the feasibility of accurate charged-particle backtracking through the Galactic magnetic field (GMF) using sparse yet high-precision local magnetic field measurements, and (ii) the interpretation of UHECR composition data in light of possible new physics in hadronic interactions above center-of-mass energies inaccessible to terrestrial accelerators. In the first part, the work quantifies how the emerging ability to perform local GMF measurements—enabled by modern tomographic polarimetric surveys and Gaia distances—can inform UHECR backtracking. Because such measurements are inherently sparse, the analysis evaluates whether this sparsity limits our capacity to reconstruct UHECR trajectories. Through mock event generation, controlled GMF sampling, and systematic variations of observational uncertainties, the study demonstrates that, provided measurement precision on magnetic-field strength is sufficiently high, even kiloparsec-scale sampling of the GMF can yield meaningful backtracking results at the highest energies. The results also establish lower bounds on achievable accuracy, indicating considerable room for improvement through more sophisticated reconstruction approaches. The second part investigates the longstanding composition problem: the tension between air-shower observables such as X_{\mathrm{max}}, its variance, and the muon counts recorded at ground-based observatories. Using CORSIKA simulations with state-of-the-art hadronic interaction models (EPOS-LHC, QGSJETII-04) and extending prior analytic work (PT19), the thesis explores whether modified proton–air interactions above a threshold energy could mimic the observational signatures of a heavier composition while retaining a physically natural light-composition scenario. The simulations show that increased first-collision multiplicity, combined with an enhanced proton–air cross-section, can reproduce the observed behaviour of both \langle X_{\mathrm{max}} \rangle and \sigma(X_{\mathrm{max}}). Although the muon excess problem is alleviated, it is not entirely resolved, indicating that additional model ingredients—such as altered meson production ratios—may be required. Overall, this work provides quantitative assessments that clarify key limitations and opportunities in UHECR astrophysics. It demonstrates that forthcoming GMF measurements can materially improve backtracking prospects and shows how phenomenological extensions of hadronic physics at super-LHC energies may account for composition observables without invoking astrophysically contrived source scenarios.

Η διατριβή εξετάζει δύο καίρια ζητήματα στη φυσική των υπερ-υψηλής ενέργειας κοσμικών ακτίνων (UHECR): (i) τη δυνατότητα ακριβούς οπισθοϊχνηλάτησης φορτισμένων σωματιδίων μέσα από το Γαλαξιακό Μαγνητικό Πεδίο (GMF) χρησιμοποιώντας αραιές αλλά υψηλής ακρίβειας τοπικές μετρήσεις, και (ii) την ερμηνεία των πειραματικών δεδομένων σύστασης υπό το πρίσμα πιθανής νέας φυσικής σε αλληλεπιδράσεις πρωτονίου-αέρα πέρα από τα ενεργειακά όρια των επιταχυντών. Στο πρώτο μέρος, διερευνάται συστηματικά κατά πόσο η εγγενής αραιότητα των μετρήσεων του GMF –παρότι ακριβείς– περιορίζει την αποκατάσταση των τροχιών UHECR. Με χρήση ελεγχόμενων προσομοιώσεων, τεχνητών γεγονότων και ρεαλιστικών σεναρίων μέτρησης, αποδεικνύεται ότι, εφόσον η αβεβαιότητα στην ένταση του μαγνητικού πεδίου παραμείνει χαμηλή, ακόμη και αραιή δειγματοληψία σε κλίμακες της τάξης kiloparsec μπορεί να προσφέρει χρήσιμη οπισθοϊχνηλάτηση για τα υψηλότερα ενεργειακά γεγονότα. Παρέχεται επίσης ελάχιστο όριο επίδοσης, υποδεικνύοντας ότι βελτιωμένες τεχνικές αναδόμησης μπορούν να ενισχύσουν περαιτέρω την ακρίβεια. Στο δεύτερο μέρος, η διατριβή αντιμετωπίζει το επίμονο «πρόβλημα σύστασης» των UHECR: την ασυμφωνία μεταξύ παρατηρήσεων της μέγιστης βάθους ανάπτυξης X_{\mathrm{max}}, της διακύμανσής του και του πλήθους μιονίων που ανιχνεύονται στο έδαφος. Με χρήση προσομοιώσεων CORSIKA και επεκτείνοντας προηγούμενη αναλυτική δουλειά (PT19), εξετάζεται εάν τροποποιημένες αλληλεπιδράσεις πρωτονίου-αέρα πάνω από μια κατώφλια ενέργειας μπορούν να αναπαράγουν τις παρατηρήσεις χωρίς την ανάγκη βαριάς αρχικής σύστασης. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι αυξημένη πολλαπλότητα προϊόντων της πρώτης σύγκρουσης και ενισχυμένη ενεργό διατομή μπορούν να περιγράψουν τόσο το \langle X_{\mathrm{max}} \rangle όσο και το \sigma(X_{\mathrm{max}}). Παρά την βελτίωση στο πρόβλημα «πλεονάζοντος πλήθους μιονίων», αυτό δεν εξαλείφεται πλήρως, υποδηλώνοντας ότι απαιτούνται πρόσθετες τροποποιήσεις στα μοντέλα της πρώτης σύγκρουσης. Συνολικά, η διατριβή συνεισφέρει ουσιαστικά στη διαμόρφωση του θεωρητικού και παρατηρησιακού πλαισίου των UHECR. Τεκμηριώνει ότι οι αναδυόμενες τεχνικές τοπικής χαρτογράφησης του GMF μπορούν να ενισχύσουν σημαντικά τις δυνατότητες οπισθοϊχνηλάτησης και επιδεικνύει πως φαινομενολογικές επεκτάσεις της αδρονικής φυσικής σε υπερ-LHC ενέργειες μπορεί να εξηγήσουν τις σύγχρονες μετρήσεις σύστασης.