Over the last decade, observations have shown that the mean mass of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) increases progressively toward the highest energies. However, the precise composition is still unknown, and several theoretical studies hint at the existence of a subdominant proton component up to the highest energies. Motivated by the exciting prospect of performing charged-particle astronomy with ultra-high-energy (UHE) protons we quantify the level of UHE-proton flux that is compatible with present multimessenger observations and the associated fluxes of neutral messengers produced in the interactions of the protons. We study this scenario with numerical simulations of two independent populations of extragalactic sources and perform a fit to the combined UHECR energy spectrum and composition observables, constrained by diffuse gamma-ray and neutrino observations. We find that up to of order $10\%$ of the cosmic rays at the highest energies can be UHE protons, although the result depends critically on the selected hadronic interaction model for the air showers. Depending on the maximum proton energy ($E_\text{max}^\text{p}$) and the redshift evolution of sources, the associated flux of cosmogenic neutrinos and UHE gamma rays can significantly exceed the multimessenger signal of the mixed-mass cosmic rays. Moreover, if $E_\text{max}^\text{p}$ is above the GZK limit, we predict a large flux of UHE neutrinos above EeV energies that is absent in alternate scenarios for the origin of UHECRs. We present the implications and opportunities afforded by these UHE proton, neutrino and photon fluxes for future multimessenger observations.
Cosmogenic gamma-rays and neutrinos constrain UHECR source models
我们使用CRPropa 3来展示预期的宇宙成因中微子和伽马射线光谱如何取决于超高能宇宙射线（UHECR）在其源的最大能量，在注入的光谱指数和UHECR的化学成分。费米/LAT测量的各向同性漫射伽马射线背景已经接近接触到一个模型，该模型具有共同移动的源演化，并具有优化的化学成分，光谱指数和最大加速能量，以提供最佳拟合的UHECR光谱和皮埃尔俄歇合作测量的组成。此外，在UHECR的最高能量的质子存在的可检测的分数，实验的灵敏度在$\sim 10^{-8}$ - $10^{-10}$ GeV cm $^{-2}$ s $^{-1}$ sr $^{-1}$的范围内的$\sim1$ EeV的单味中微子通量，显示为UHECR源的演变的函数。达到这种灵敏度的实验将能够显着约束现实源演化模型的质子分数。
Propagation of Ultra High Energy Cosmic Rays and the Production of Cosmogenic Neutrinos
我们提出了一个更新版本的{ \it SimProp} Monte Carlo程序来研究超高能宇宙射线在天体物理背景中的传播，计算地球上预期的宇宙成因中微子通量。次级中微子的研究为约束这些极高能粒子的源模型提供了有力的工具。我们将展示新探测到的PeV能量的冰立方中微子事件以及皮埃尔俄歇天文台和望远镜阵列实验的最新实验结果如何几乎在排除几个关于超高能宇宙射线天体物理源的假设的水平上。所得结果也可用于评估未来高能宇宙射线和中微子探测器的发现能力。
Testing Narrow-jet Gamma-Ray Bursts as Sources of Ultrahigh-Energy Cosmic Rays
University of Florida（佛罗里达大学）；University of Johannesburg（约翰内斯堡大学）；The George Washington University（乔治华盛顿大学）；National Institute for Theoretical and Computational Sciences (NITheCS)（国家理论与计算科学研究所）；U.S. Naval Research Laboratory（美国海军研究实验室）
Cosmogenic Neutrinos Challenge the Cosmic Ray Proton Dip Model
超高能宇宙射线（UHECR）的起源和组成仍然是一个谜。质子浸渍模型描述了它们在$10^9$ GeV以上能量范围内的光谱形状，通过对产生和与宇宙微波背景的光强子相互作用。光强子相互作用也产生宇宙成因中微子，峰值在$10^9$ GeV附近。我们测试这个模型是否仍然是可行的，根据最近的UHECR光谱测量从望远镜阵列实验，和上限宇宙成因中微子流量从冰立方。虽然两个参数的拟合已经提出，我们进行了全面扫描的三个主要的物理模型参数：源红移的演变，注入质子的最大能量，光谱指数。我们发现定性不同的结论相比，早期的两个参数在文献中的拟合：一个温和的偏好，而不是Greisen-Zatsepin-Kuzmin（GZK）截止，硬注入光谱的最大能量截止源，和强大的源演化。预测宇宙成因中微子流量超过冰立方限制的任何参数组合。结果表明，质子浸渍模型在大于95% C. L.这是强有力的证据，对这个模型独立的质量组成测量。
Ultra-high energy event KM3-230213A as a cosmogenic neutrino in light of minimal UHECR flux models
Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院核物理研究所）；Budker Institute of Nuclear Physics of Siberian Branch Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院西伯利亚分院布德刻尔核物理研究所）；Novosibirsk State University（新西伯利亚国立大学）
Probing a cosmogenic origin of astrophysical neutrinos and cosmic rays using gamma-ray observations of TXS 0506+056
CP3-Origins, University of Southern Denmark（南丹麦大学）；DePauw University（迪堡大学）；University of Delaware（特拉华大学）；University of Utah（犹他大学）；Washington University（华盛顿大学）；University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；California Polytechnic State University（加州州立理工大学）；University of California, Santa Cruz（加州大学圣克鲁兹分校）
Cosmogenic neutrinos from FRII galaxies as potential origin of the ultra-high-energy KM3-230213A event
Université Paris Cité（巴黎西岱大学）；CNRS, Laboratoire Astroparticule et Cosmologie（法国国家科学研究中心，粒子与宇宙学实验室）；Instituto de Astronomía, Universidad Nacional Autónoma de México（墨西哥国立自治大学天文学研究所）
Hadronic origin of gamma rays and neutrinos from blazars: Multi-messenger implications and observational constraints
Universidade Estadual de Londrina (UEL)（隆德里纳州立大学）；Universidade Federal de São Carlos (UFSCar)（圣卡洛斯联邦大学）；Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)（巴拉那联邦技术大学）；Universidade Federal da Integração Latino-Americana（拉丁美洲一体化联邦大学）；Universidade Federal do Espírito Santo（圣埃斯皮里图联邦大学）
Angular, spectral, and time distributions of highest energy protons and associated secondary gamma-rays and neutrinos propagating through extragalactic magnetic and radiation fields
The Giant Radio Array for Neutrino Detection (GRAND) Project
GRAND的设计目的是利用无线电天线探测超高能宇宙粒子，特别是中微子、宇宙射线和伽马射线。该项目在世界各地设有$\sim$ 20个山地站点，总面积将达20万km $^{2}$。计划的灵敏度为10 $^{-10}$ GeV cm $^{-2}$ s $^{-1}$ sr $^{-1}$，高于$5\times10^{17}$ eV，这将可能确保探测到宇宙成因中微子，这是中微子天文学最常见的情况。此外，PeV-EeV中微子可以测试粒子的相互作用，其能量高于在加速器中实现的能量。探索者阶段GRANDProto 300计划于2021年开始采集数据。我们目前的整体状况的项目，重点是中微子物理。
Further Evidence for an Increase of the Mean Mass of the Highest-Energy Cosmic-Rays with Energy
索科尔斯基和D_阿维尼翁最近报告了对各种测量的检验，这些测量与最高能量宇宙射线的质量组成如何随能量演化的问题有关。他们断言，从北半球到达的宇宙射线与从南半球到达的宇宙射线具有不同的质量组成，这意味着两个半球的高能宇宙射线源的多样性。如果这个结论是正确的，它将对宇宙射线起源理论产生深远的影响，并将影响未来项目的规划。因此，他们的主张值得仔细审查。在本文中，他们的分析进行了详细的审查，与判决是，证据的北/南差异是没有得到证明，一个结论支持的其他数据从北半球和南半球。然而，最重要的是，Sokolsky和D_Avignon的研究为皮埃尔·奥杰合作组织在2014年提出的宇宙射线的平均质量随着能量超过~3 E eV而增加的说法提供了期待已久的确认。
