Implementasjon av Tredimensjonale Elektromagnetiske Kaskader i Elmag

Abstract

En oppdatert versjon av Monte Carlo programmet ELMAG er presentert. Programmet simulerer elektromagnetiske kaskader som startes av høyenergiske fotoner fra blasarer. De høyenergiske fotonene vekselvirker med bakgrunnsfotoner og produserer elektron-positron par, som blir bøyd av et kosmologisk magnetisk felt, og deretter vekselvirker igjen med andre bakgrunnsfotoner. ELMAG kan nå ta høyde for den tredimensjonal utviklingen av kaskaden i et turbulent magnetisk felt. Det magnetiske feltet i programmet er en turbulent superpo- sisjon av helikser, da det er ønskelig å undersøke polarisasjon i et kosmologisk magnetisk felt, som kan bevise ulikheter i oppførselen til matterie og antimatterie i Universets begynnelse. Partikkelfysikken bak de elektromagnetiske kaskadene blir utledet, samt en beskrivelse av hvordan det magnetiske feltet blir generert. En avansert numerisk rutine blir presentert for å beregne partikkelbanen i det turbulente magnetiske feltet. Flere tester er blitt utført for bevise at den numeriske rutinen fungerer som ønskelig. Det ferdige programmet er laget så generelt som mulig, og blir beskrevet i detalj for å la enhver bruker tilpasse programmet til ønskelig formål. Programmet gir gode resultater når det sammenlignes med andre tilsvarende simuleringer. Dog anbefales programmet kun for bruk når det simuleres for energier høyere enn ∼ 1 GeV. Som sluttresultat presenteres band bilder av overflatelysstyrken fra blasaren 1ES 0229+200. Teoretisk forventning av tidsforsinkelse for avbøyde partikler er i overensstem- melse med resultatene fra programmet. Venstrehåndspolarisasjon og høyrehåndspolariasjon av det magnetiske feltet blir også evaluert. Det oppstår en tydelig forskjell i de respektive band bildene. Dog er dette tilfellet for kun ett sett av tilfeldige parametre som initialiserer magnetfeltet. Det konkluderes dermed med at det må opparbeides mer statistikk før man kan dra en troverdig konklusjon på hvordan venstrehånds- og høyrehåndspolarisasjon vil påvirke band bildet ulikt.

A development of the Monte Carlo program ELMAG is presented. The program simulates electromagnetic cascades initiated by high energy γ-rays interacting with the extragalactic background light, producing charged particles that are deflected in the extragalactic magnetic field and again interact with the background photons. ELMAG calculates now the three- dimensional evolution of the cascade with deflections by a turbulent magnetic field. The magnetic field considered is helical, because theoretical predictions suggest that detecting polarization in such a field can prove CP violation in the Early Universe. The particle physics of electromagnetic cascades and the generation of a turbulent magnetic field is presented. An appropriate numerical solver is chosen, and tested against analytic formulae to provide sufficient proof of a correct implementation. The complete Monte Carlo program is made as general as possible, and is explained in detail, to make it easy for a user to specify desired input and output routines. Results from the program are in satisfying agreement with other programs in the high energy regime. A consequence of the desired efficiency in the program is that it should only be applied for photon energies above ∼ 1 GeV. As final results, the simulations from the program provide surface brightness band images of the γ-ray sky around the blazar 1ES 0229+200. The spectra of time delayed secondary particles are evaluated, and are in good agreement with theoretical predictions. Left-handed and right-handed polarizations of the magnetic field lead to different deformations of the observed band image. However, a more detailed statistical treatment is required to make a reliable test for the polarization of the extragalactic magnetic field.