[pt] EXPLORAÇÃO DE NOVOS ASPECTOS DAS INTERAÇÕES DE MENSAGEIROS CÓSMICOS NA FÍSICA DE ASTROPARTÍCULAS

[en] EXPLORING SOME NEW ASPECTS OF THE INTERACTIONS OF COSMIC MESSENGERS IN ASTROPARTICLE PHYSICS

[pt] AMIRFARZAN ESMAEILI TAKLIMI

[pt] NEUTRINO

[pt] MENSAGEIRO COSMICO DE ALTA ENERGIA

[pt] ABORDAGEM MULTIMENSAGEIRO

[pt] ASTROPARTICULA

[pt] RAIO GAMA

[pt] RAIO COSMICO

[en] NEUTRINO

[en] ULTRA HIGH ENERGY COSMIC RAY

[en] MULTI MESSENGER APPROACH

[en] ASTROPARTICLE

[en] GAMMA RAY

[en] COSMIC RAY

[pt] Raios cósmicos, raios gama e neutrinos são mensageiros de fenômenos astrofísicos extremos, abrangendo diversas ordens de grandeza em energia e distância. A interpretação desses sinais depende de um conjunto de processos microfísicos que governam as interações dessas partículas tanto nas fontes astrofísicas quanto durante sua propagação até a Terra. Esta tese investiga alguns desses processos microfísicos, cobrindo energias desde GeV até ZeV e distâncias desde escalas galácticas até o Universo em alto redshift, com foco em aspectos específicos que resultam em efeitos macrofísicos observáveis e assinaturas relevantes para observações e simulações multi-mensageiras atuais e futuras. No regime de energia ultra-alta, tanto na propagação cosmológica quanto nos ambientes das fontes, dois tópicos principais são abordados. Primeiramente, um processo frequentemente negligenciado — a produção de pares com captura — é investigado no contexto dos raios cósmicos de energia ultra-alta, utilizando um método de estimativa semianalítico. Os resultados indicam que, embora esse processo não altere significativamente o estado de ionização dos núcleos durante sua propagação em distâncias cosmológicas, núcleos pesados e ultra-pesados podem não estar totalmente despojados em locais de aceleração, desafiando a suposição comum sobre o estado de ionização desses núcleos nas fontes astrofísicas. Em seguida, examinamos um fenômeno crucial no contexto multimensageiro: o desenvolvimento de cascatas eletromagnéticas nessas energias. Demonstramos que cascatas nesse regime podem servir como fontes de neutrinos de altas e ultra-altas energias, tanto dentro quanto fora das fontes astrofísicas. Para apoiar este estudo, introduzimos o MUNHECA, um framework em Python 3 para simular cascatas eletromagnéticas de energia ultra-alta e calcular os espectros de neutrinos resultantes. Em energias mais baixas e em escalas galácticas, os processos de perda de energia dos prótons dos raios cósmicos são reexaminados cuidadosamente. Este estudo é particularmente relevante à luz dos avanços observacionais recentes (por exemplo, AMS-02), pois as incertezas experimentais neste regime agora superaram a precisão de nossos modelos teóricos. Utilizando uma abordagem analítica, nossa pesquisa revela que certos mecanismos de perda de energia dos prótons, anteriormente considerados negligenciáveis, como o espalhamento elástico próton-próton, não podem mais ser ignorados em modelos precisos de propagação de raios cósmicos. Na parte final desta tese, voltamo-nos para um estudo distinto, mas ainda relacionado, que também se beneficia da abordagem multi-mensageira: as perspectivas observacionais de buracos negros primordiais por meio de telescópios de raios gama e neutrinos. Discutimos em detalhes as vantagens únicas dos telescópios de neutrinos nesse contexto. Por meio de uma reavaliação numérica e precisa dos espectros de raios gama e neutrinos provenientes da evaporação de buracos negros primordiais, quantificamos os perfis de energia e tempo correlacionados de ambos os mensageiros. Essas correlações são então utilizadas para aprimorar a identificação de buracos negros primordiais em caso de detecção futura.

[en] Cosmic rays, gamma rays and neutrinos trace extreme astrophysical phenomena across orders of magnitude in energy and distance, yet their interpretation relies on a set of microphysical processes that govern the interactions of these messenger particles both within the astrophysical sources and en route to the Earth. In this thesis we study some of these microphysics processes, spanning in energies from GeV to ZeV and distances from Galactic scales to the high-redshift Universe, with a focus on specific aspects that give rise to observable macrophysical effects and signatures relevant to current and future multi-messenger observations and simulations. At the ultra-high-energy regime, for both cosmological propagation and source environments, two key topics are addressed. First, an often-overlooked process—pair production with capture—is investigated in the context of ultra-high-energy cosmic rays using a semi-analytical estimation method. The results indicate that, although this process does not significantly alter the ionization state of ultra-high-energy nuclei during their propagation over cosmological distances, heavy and ultra-heavy nuclei may not be fully stripped at acceleration sites. This challenges the commonly adopted assumption that ultra-high-energy nuclei are fully ionized both at their sources and during propagation through astrophysical environments. Second, we examine a crucial multi-messenger phenomenon: the development of electromagnetic cascades at these energies. We show that cascades in this regime can serve as a source of high- and ultra-high-energy neutrinos, both inside and outside of astrophysical sources. To support this study, we introduce MUNHECA, a Python3 framework for simulating ultra-high-energy electromagnetic cascades and computing the resulting neutrino spectra. At lower energies, and on Galactic scales, the energy loss processes of cosmic ray protons are carefully re-examined. This study is particularly relevant in the light of recent observational advances (e.g. AMS-02), as experimental uncertainties in this regime have now surpassed the precision of our theoretical models. Using an analytical approach, our study reveals that certain proton energy loss mechanisms, previously considered negligible, such as elastic proton-proton scattering, can no longer be ignored in accurate cosmic ray propagation modeling. In the final part of this thesis, we turn to a distinct and yet related study that also benefits from the multi-messenger approach: the observational prospects of primordial black holes through gamma ray and neutrino telescopes. We discuss the unique advantages of neutrino telescopes in detail. Through a numerical and accurate reassessment of the gamma ray and neutrino spectra from evaporating primordial black holes, we quantify the correlated energy and time profiles of both messengers. These correlations are then utilized to enhance the identification of primordial black holes in case of future detection.

ARMAN ESMAILI TAKLIMI

THIAGO BARBOSA DOS SANTOS GUERREIRO

LUIZ VITOR DE SOUZA FILHO

GERO ARTHUR H T F VON GERSDORFF

ARMAN ESMAILI TAKLIMI

ULISSES BARRES DE ALMEIDA

2025-07-31

2025-06-06

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INGLÊS

https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=72008@1

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.72008