Cosmic-ray fluxes relevant for Atmospheric Neutrinos - - PowerPoint PPT Presentation

Cosmic-­‑ray ¡fluxes ¡relevant ¡for ¡ Atmospheric ¡Neutrinos ¡

• I. < ¡TeV ¡
• II. TeV ¡~ ¡PeV ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 1 ¡ νµ νe

ν background for p-decay

0.1 1 10 νµ νe

ν background for p-decay

0.1 1 10

From ¡the ¡local ¡ISM ¡to ¡1 ¡AU ¡

PAMELA: ¡

1000 2000 3000 4000 5000 0.1 1 10 100 1000 10000 INTERSTELLAR OBSERVED at 1 A.U. Ek

2dN/dEk (GeV m-2sr-1s-1)

Ekinetic (GeV) Energy Content of Galactic Cosmic-ray Protons 2006 2007 2008 2009 Voyager See ¡Bisschoff ¡& ¡Potgieter, ¡ 1512.04836 ¡for ¡post-­‑Voyager ¡ analysis ¡

Most ¡energy ¡between ¡ 0.5 ¡and ¡10 ¡GeV ¡

ρCR ∼ 5 × 10−13 erg/cm3

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 2 ¡

Solar ¡modulaYon ¡ ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 3 ¡

E k (m

−2

sr sec−1 −1) P−Flux x E (GeV)

k Figure 9 Proton spectra measured by BESS in 1997, 1998, 1999, and 2000 (70). Curves are explained in the text.

Kinetic energy (GeV)

• 1

10 1 10 )

• 1

GeV

• 1

s

• 1

sr

• 2

Proton flux (m

• 1

10 1 10

2

10

3

10

Jul10 Mar11 Oct11 Jun12 Feb13 Sep13

BESS, ¡AMS, ¡1997 ¡-­‑ ¡2000 ¡Cycle ¡22, ¡A ¡> ¡0 ¡

• Fig. ¡from ¡TG ¡& ¡Honda, ¡2002 ¡

PAMELA, ¡2010 ¡– ¡2013 ¡ Martucci ¡et ¡al., ¡1801.07112 ¡

See ¡Cholis, ¡Hooper ¡& ¡Linden, ¡PR ¡D ¡93 ¡(2016) ¡043016 ¡a ¡full, ¡ physically ¡moYvated ¡parameterizaYon ¡of ¡charge-­‑sign-­‑ dependent ¡solar ¡modulaYon ¡

Charge-­‑sign-­‑dependent ¡solar ¡modulaYon ¡

• A ¡= ¡polarity ¡of ¡the ¡solar ¡magneYc ¡field ¡ ¡
• Changes ¡sign ¡around ¡solar ¡max ¡
• ModulaYon ¡depends ¡on ¡qA ¡

– Protons, ¡anY-­‑protons ¡are ¡modulated ¡differently ¡ – Cholis, ¡Hooper, ¡Linden, ¡PR ¡D93 ¡(2016) ¡043016 ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 4 ¡

¡ ¡

PHYSICAL REVIEW D 93, 043016 (2016)

*Gives ¡a ¡detailed ¡parameterizaYon ¡of ¡the ¡ force-­‑field ¡parameter ¡as ¡a ¡funcYon ¡of ¡date ¡ that ¡accounts ¡for ¡the ¡physical ¡effects ¡of ¡ drih ¡and ¡diffusion ¡in ¡the ¡heliospheric ¡ magneYc ¡field ¡

Next ¡step: ¡ ¡

geing ¡through ¡the ¡geomagneYc ¡field ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 5 ¡

Guy ¡Murchie, ¡ 1954 ¡

GeomagneYc ¡ cutoffs ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 6 ¡

Pass Rate Rigidity (GV) G r a n S a s s

• K

a m i

• k

a North America 0.5 1.0 100 10

1

Cos( θ) Rigidity of pass probability 50% (GV) Kamioka Gran Sasso North America −1.0 1.0 5.0 10 15

Figure 11 Cutoffs at three locations: north-central North America (Soudan, Sudbury); Gran Sasso; Kamioka. The left panel shows the passing rate as a function of rigidity integrated over all directions. The right panel shows the rigidity above which half the particles in the azimuthal band at each zenith angle reach the atmosphere. (Positive cos θ refers to downward-moving particles.) TG ¡& ¡Honda, ¡2002 ¡

What ¡primary ¡energies ¡are ¡relevant? ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 7 ¡

TG, ¡Honda, ¡Ann.Revs. ¡52 ¡(2002) ¡ Sub-­‑GeV ¡events ¡at ¡Super-­‑K ¡ A) Without ¡cutoffs ¡ B) Upgoing ¡events ¡ C) Downgoing ¡events ¡

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 100 101 102 103 104 105 ENdN / dEN (arbitrary units) EN (GeV) A B C Super-K AMANDA-B10 neutron monitor

Through-­‑going ¡events ¡ IceCube, ¡KM3NeT… ¡

Strong ¡East-­‑West ¡effect ¡at ¡Super-­‑K ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 8 ¡ Figure 10 Contour map of the rigidity cutoff as seen from the Kamioka site. Rigidity cutoffs are shown as a function of arrival direction of the neutrino. (Zenith angle >90 is for upward-moving particles.) An outline map of the continents is superimposed on the lower hemisphere.

East-­‑West ¡effect ¡on ¡neutrinos ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 9 ¡

HKKM ¡ Honda ¡et ¡al., ¡PRD52 ¡(1995) ¡ Lipari, ¡Stanev, ¡TG, ¡PRD58 ¡(1998) ¡ Lipari, ¡ ¡

• Astropart. ¡Phys. ¡14 ¡(2000) ¡171 ¡

Data ¡from ¡Super-­‑K* ¡in ¡fixed ¡zenith ¡band ¡compared ¡to ¡calculaYons. ¡ Complemented ¡observaYon ¡of ¡zenith ¡dependence ¡from ¡oscillaYons. ¡

*Super-­‑K, ¡(Futagami ¡et ¡al., ¡P.R.L. ¡82 ¡(1999) ¡5192 ¡ ¡

Spectrum ¡circa ¡2002 ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 10 ¡

Figure 6 Observed flux of cosmic-ray protons and helium. The dashed lines show the fits described in the text. The data are: Webber (48), crosses; LEAP (49), upward solid triangles; MASS1 (50), open circles; CAPRICE (52), vertical solid diamonds; IMAX (53), downward solid triangles; BESS98 (54), solid circles; AMS (55, 56), solid squares; Ryan (57), horizontal solid diamonds; JACEE (58), downward open triangles; Ivanenko (59), upward open triangles; Runjob (60), open diamonds; Kawamura (61),

• pen squares.
• Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 2002.52:153-199. Downloaded from www.annualreviews.org

Access provided by University of Delaware on 04/12/18. For personal use only.

TG ¡& ¡Honda, ¡2002 ¡

Nucleons ¡per ¡GeV/nucleon ¡

Flux ¡parameterizaYons ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 11 ¡

TABLE 2 Parameters for all five components in the fit of Equation 10 Parameter/component α K b c Hydrogen (A = 1) 2.74 ± 0.01 14900 ± 600 2.15 0.21 He (A = 4, high) 2.64 ± 0.01 600 ± 30 1.25 0.14 He (A = 4, low) 2.74 ± 0.03 750 ± 100 1.50 0.30 CNO (A = 14) 2.60 ± 0.07 33.2 ± 5 0.97 0.01 Mg-Si (A = 25) 2.79 ± 0.08 34.2 ± 6 2.14 0.01 Fe (A = 56) 2.68 ± 0.01 4.45 ± 0.50 3.07 0.41

φ(Ek) = K × ⇣ Ek + b exp h −c p Ek i⌘−α with parameters as tabulated in Table 2. Here is kinetic

TG, ¡Honda, ¡Lipari, ¡Stanev ¡ ICRC ¡27 ¡(Hamburg) ¡2001 ¡ 5(1643) ¡ Parameter ¡values ¡from ¡ TG, ¡Honda ¡(Ann.Revs.Nucl. ¡

• Part. ¡Sci. ¡52, ¡2002). ¡ ¡ ¡

In ¡view ¡of ¡more ¡recent ¡data, ¡it ¡is ¡good ¡that ¡we ¡favored ¡the ¡“high” ¡He ¡! ¡ E ¡in ¡GeV, ¡the ¡b ¡and ¡c ¡factors ¡account ¡for ¡modulaYon ¡at ¡solar ¡min ¡

Data, ¡2005 ¡ ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 12 ¡

• 100
• 80
• 60
• 40
• 20

20 40 60 80 100 1 10 100 1000 10000 100000 Deviation from central fit value (%) Primary Kinetic Energy (GeV) Uncertainty used Earlier data BESS CAPRICE AMS JACEE RUNJOB Ivanenko

• 100
• 80
• 60
• 40
• 20

20 40 60 80 100 1 10 100 1000 10000 100000 Deviation from central fit value (%) Primary Kinetic Energy (GeV/n) Uncertainty used Earlier He data BESS CAPRICE AMS JACEE RUNJOB

RaYo ¡of ¡data ¡to ¡parameterizaYon ¡for ¡protons ¡and ¡helium ¡from ¡uncertainYes ¡paper ¡ Barr ¡et ¡al., ¡PR ¡D74 ¡(2006) ¡094009 ¡ Low ¡energy ¡measurements ¡with ¡spectrometers, ¡higher ¡energy ¡with ¡calorimeters ¡

Updated ¡fits ¡include ¡new ¡data: ¡

Evans ¡et ¡al., ¡PR ¡D95 ¡(2017) ¡023012 ¡( ¡1612.03219) ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 13 ¡

(a)

Primary Energy [GeV/n]

1 10

2

10

3

10

4

10

5

10

Deviation from central fit value (%)

100 − 80 − 60 − 40 − 20 − 20 40 60 80 100

(b)

Primary Energy [GeV/n]

1 10

2

10

3

10

4

10

5

10

Deviation from central fit value (%)

100 − 80 − 60 − 40 − 20 − 20 40 60 80 100

Protons ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Helium ¡ Main ¡new ¡data ¡sets: ¡PAMELA, ¡AMS02, ¡CREAM ¡ Plots ¡show ¡raYo ¡of ¡data ¡to ¡fits ¡to ¡the ¡GHLS ¡form ¡with ¡new ¡parameter ¡values. ¡ Uncertainty ¡band ¡is ¡reduced. ¡ However: ¡Note ¡systemaYc ¡difference ¡in ¡shape ¡

New ¡observaYon: ¡Spectral ¡hardening ¡

Energy (GeV/nucleon) 1 10

2

10

3

10

4

10

1.75

(GeV/nucleon)

• 1
• s-sr)

2

(m

2.75

E × Flux 10

2

10

3

10 He

CREAM C-Fe

“Discrepant ¡hardening” ¡ CREAM, ¡Ap.J. ¡Lerers ¡714 ¡(2010) ¡L89 ¡

R (GV) R (GV) 10

2

10

3

10 Flux × R2.7 (m2 s sr GV)-1 GV2.7 Flux × R2.7 (m2 s sr GV)-1 GV2.7

4

10 Proton 10

2

10

3

10

3

10 Helium

PAMELA, ¡Science ¡332 ¡(2011) ¡69 ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 14 ¡

AMS ¡02 ¡ ¡

PAMELA AMS AMS PAMELA

]

GV

• 1

sr

• 1

s

• 2

[ m

R ~ × Flux ]

GV

• 1

sr

• 1

s

• 2

[ m

R ~ × Flux ]

GV

• 1

sr

• 1

s

• 2

[ m

R ~ × Flux

3

10 50 100 50 100

AMS

2 3 4 10 20

2

10

2

10 × 2

3

10

3

10 × 2

γ Spectral Index

• 2.8
• 2.6
• 2.4

Helium Carbon Oxygen

[GV] R ~ Rigidity

(a) Helium (b) Carbon (c) Oxygen (d)

AMS02, ¡PRL ¡119 ¡(2017) ¡251101 ¡ ¡

102 103 104 105 100 101 102 103 104 105 E2.7dN/dE (m-2sr-1s-1GeV1.7) Ek (GeV/nucleon) Helium spectrum (comparison) AMS02 protons AMS02 He TG-Evans GHLS+7 TG-Evans-7 all-nucleon 1.66E+4 x E**-2.7

protons ¡ Helium ¡ Rigidity ¡dependent ¡hardening ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 15 ¡

Evans ¡et ¡al. ¡7 ¡parameter ¡fit ¡addresses ¡ the ¡hardening ¡for ¡protons ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 16 ¡

3 ¡new ¡parameters: ¡ ¡

• k ¡≈ ¡150 ¡GeV, ¡ ¡
• s ¡= ¡sharpness, ¡ ¡
• ¡α’ ¡< ¡α ¡= ¡high ¡energy ¡spectral ¡index ¡

The ¡steepening ¡factor ¡form ¡is ¡from ¡

Ter-­‑Antonyan ¡& ¡Haroyan, ¡hep-­‑ex:0003006 ¡ (see ¡also ¡Lipari, ¡Astropart. ¡Phys. ¡97 ¡(2018) ¡197 ¡

φ(Ep) = K × ⇣ Ep + b exp h −c p Ep i⌘−α ×  1 + ✓Ep k ◆s αα0

s

Primary Energy [GeV/n]

1 10

2

10

3

10

4

10

5

10

Deviation from central fit value (%)

100 − 80 − 60 − 40 − 20 − 20 40 60 80 100

Modified ¡versions ¡of ¡Evans ¡et ¡al. ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 17 ¡

Since ¡I ¡want ¡to ¡use ¡these ¡parameterizaYons ¡specifically ¡for ¡AMS02 ¡anYprotons, ¡ ¡ I ¡adjusted ¡the ¡fits ¡to ¡give ¡berer ¡agreement ¡with ¡AMS02 ¡H ¡and ¡He ¡data. ¡ ¡I ¡used ¡ the ¡seven-­‑parameter ¡form ¡for ¡He ¡as ¡well ¡as ¡for ¡H. ¡ ¡(Evans ¡used ¡it ¡only ¡for ¡H.) ¡

Work ¡is ¡in ¡~/atmosnu/Giles2016/bartol/primary/gbthesisdata/tkg2016/ ¡(11-­‑12 ¡Feb ¡2017) ¡ Note: ¡AMS02 ¡data ¡are ¡converted ¡from ¡GV ¡to ¡kineYc ¡energy ¡per ¡nucleon ¡in ¡gnuplot ¡files. ¡

10-2 10-1 100 100 101 102 103 104 105 Hydrogen He CNO MgSi Fe group Fraction Ek (GeV/nucleon) Fractional contributions to flux of nucleons 102 103 104 105 100 101 102 103 104 105 E2.7dN/dE (m-2sr-1s-1GeV1.7) Ek (GeV/nucleon) Helium spectrum (comparison) AMS02 protons AMS02 He TG-Evans GHLS+7 TG-Evans-7 all-nucleon 1.66E+4 x E**-2.7

AMS02-­‑compare3.pdf ¡ ¡raYos3.pdf ¡ Note: ¡Helium ¡is ¡plored ¡here ¡as ¡ He ¡nuclei ¡per ¡GeV/N ¡

Compare ¡fits ¡to ¡AMS02 ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 18 ¡ 102 103 104 105 100 101 102 103 104 105 E2.7dN/dE (m-2sr-1s-1GeV1.7) Ek (GeV/nucleon) GHLS fit Evans et al. fit AMS02 protons AMS02 He TG-Evans GHLS+7 TG-Evans-7 all-nucleon 1.66E+4 x E**-2.7

Hydrogen ¡fracYon ¡and ¡ν/ν ¡raYo ¡ ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 19 ¡

To ¡first ¡order ¡depends ¡on ¡ ¡ δ0 = p − n

p + n ≈ H N

0.2 0.4 0.6 0.8 1 101 102 103 104 105 106 107 Fraction of primary Hydrogen EN (GeV/nucleon) gsf fit TG7(p,He) + H3a heavies TG7(p,He) + HondaTG heavies OPERA

RelaYon ¡to ¡atmospheric ¡muons ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 20 ¡

lþ l 1 þ bd0ap

1 bd0ap ¼ fpþ 1 fpþ ;

b ¼ 1 Zpp Zpn 1 Zpp þ Zpn 0:909;

ap ¼ Zppþ Zpp

Zppþ þ Zpp 0:165

Pions ¡only ¡(Frazer ¡et ¡al., ¡PR ¡D ¡5 ¡(1972) ¡1653 ¡ lþ l ¼

fpþ 1 þ Bpl cosðhÞEl=p þ

1 2 ð1 þ aKbd0ÞAKl=Apl

1 þ Bþ

Kl cosðhÞEl=K

" #

• ð1 fpþÞ

1 þ Bpl cosðhÞEl=p þ ðZNK=ZNKÞAKl=Apl 1 þ BKl cosðhÞEl=K

• 1

Include ¡K ¡à ¡μ ¡+ ¡νμ ¡

TG ¡Astropart. ¡Phys. ¡35(2012) ¡801 ¡

aK ¼ ZpKþ ZpK

ZpKþ þ ZpK

(GeV)

µ

ε

10

10

10

10

• n surface

µ

R

1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

OPERA L3+C Utah MINOS CMS K model π

Rise ¡in ¡muon ¡charge ¡raYo ¡reflects ¡higher ¡ asymmetry ¡in ¡the ¡charged ¡kaon ¡channel, ¡ which ¡becomes ¡more ¡important ¡when ¡ Eμ ¡> ¡εK ¡≈ ¡850 ¡GeV. ¡ ¡ ¡ The ¡key ¡parameter ¡is ¡αK ¡

The ¡effect ¡is ¡more ¡important ¡for ¡νμ ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 21 ¡

1 1.5 2 2.5 3 0.01 0.1 1 10 100 1000 νµ / anti-νµ ratio Eν (TeV) energy independent composition(E) plus reduced K/π Polygonato K/π

2-­‑body ¡decay ¡kinemaYcs ¡favors ¡ K ¡over ¡π ¡for ¡neutrinos ¡

0.2 0.4 0.6 0.8 1 100 101 102 103 104 105 Fraction Eν (GeV) µ+ + µ− and νµ + νµ flux from pions and kaons π µ K µ π ν K ν

E ¡>> ¡100 ¡TeV ¡

• Flux ¡too ¡low ¡for ¡direct ¡measurements ¡
• Ground-­‑base ¡EAS ¡experiments ¡

– Large ¡aperture ¡x ¡exposure ¡provides ¡data ¡to ¡>> ¡EeV ¡ – All-­‑parYcle ¡spectrum ¡depends ¡on ¡E ¡per ¡nucleus ¡ – ComposiYon ¡measurements ¡at ¡best ¡resolve ¡ groups ¡of ¡nuclei, ¡e.g. ¡(p, ¡He, ¡CNO, ¡Mg-­‑Si, ¡Fe) ¡ ¡

• We ¡need ¡the ¡spectrum ¡of ¡nucleons ¡(in ¡E ¡per ¡

nucleon) ¡to ¡calculate ¡fluxes ¡of ¡leptons ¡

• Physics-­‑based ¡models ¡give ¡useful ¡guidance ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 22 ¡

Peters ¡cycles ¡and ¡parYcle ¡populaYons ¡

• Rigidity ¡dependence ¡

– R ¡= ¡Ptot ¡c ¡/ ¡Z ¡e ¡ – Implies ¡sequence: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ p, ¡He, ¡C, ¡… ¡Fe ¡

• Spectral ¡hardening ¡

– Suggests ¡new ¡parYcle ¡ populaYon ¡

• GalacYc ¡and ¡extra-­‑

galacYc ¡populaYons ¡

• B. ¡Peters, ¡Il ¡Nuovo ¡Cimento ¡22 ¡(1961) ¡800 ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 23 ¡

Spectrum ¡

• ­‑-­‑ ¡a ¡global ¡view ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 24 ¡

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 100 102 104 106 108 1010 1012

E2dN/dE (GeV cm-2sr-1s-1) Etot (GeV / particle)

Energies and rates of the cosmic-ray particles HERA RHIC TEVATRON LHC Fixed target protons only all-particle electrons positrons antiprotons Grigorov Akeno MSU KASCADE Tibet KASCADE-Grande IceTop73 HiRes1&2 TA2013 Auger2013 Model H4a CREAM all particle

Cutoff ? …. or Maximum energy

• f acceleration?

2 ¡components ¡is ¡not ¡enough ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 25 ¡

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012

E2dN/dE (GeV cm-2sr-1s-1) Etot (GeV / particle)

All-particle spectrum Grigorov Akeno MSU KASCADE Tibet KASCADE-Grande IceTop73 HiRes1&2 TA2013 Auger2013 CREAM all particle Population A Population E-G

• Pops. 1 + 3

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012

E2dN/dE (GeV cm-2sr-1s-1) Etot (GeV / particle)

All-particle spectrum Grigorov Akeno MSU KASCADE Tibet KASCADE-Grande IceTop73 HiRes1&2 TA2013 Auger2013 CREAM all particle Population A Population B Population E-G H3a-2a

3 ¡populaYon ¡model ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 26 ¡

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012

E2dN/dE (GeV cm-2sr-1s-1) Etot (GeV / particle)

All-particle spectrum Grigorov Akeno MSU KASCADE Tibet KASCADE-Grande IceTop73 HiRes1&2 TA2013 Auger2013 CREAM all particle Population A Population B Population E-G H3a-1

• Pop. ¡1: ¡GalacYc ¡I ¡ ¡
• Assume ¡power-­‑law ¡

extrapolaYon ¡of ¡each ¡group ¡ from ¡direct ¡measurements ¡ ¡

• Assume ¡rigidity-­‑dependent ¡

cutoff ¡at ¡the ¡knee ¡

• Pop. ¡2: ¡GalacYc ¡II ¡

Needed ¡to ¡fill ¡in ¡before ¡extra-­‑ galacYc ¡component ¡ Assume ¡rigidity-­‑dependent ¡cutoff ¡ ¡

• Pop. ¡3: ¡ExtragalacYc ¡

Hillas’ ¡GalacYc ¡populaYon ¡B ¡

Review: Diffusive shock acceleration in supernova remnants R101 Figure 2. The cosmic ray spectrum as the sum of galactic H, He, CNO, Ne–S and Fe components with the same rigidity dependence, and extragalactic H + He (total EGT) having a spectrum ∝E−2.3 before suffering losses by CMBR and starlight interactions. The galactic components were given a turn-down shape based on KAS CADE knee shape as far as the point marked x. The dashed line Q is the total if the extended tail B of the galactic flux is omitted.

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 27 ¡

A.M. ¡Hillas, ¡J. ¡Phys. ¡G: ¡Nucl. ¡Part. ¡Phys. ¡31 ¡(2005) ¡R95–R131 ¡ ¡

Features ¡in ¡all-­‑parYcle ¡spectrum ¡

100 101 102 103 104 1016 1017 1018 1019 1020 E2.5dN/dE (m-2sr-1s-1GeV1.5) Eprimary (eV) IT-3 yr TA2013 Auger2013

knee ¡ hardening ¡ 2nd ¡knee ¡ ankle ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 28 ¡

All-­‑parYcle ¡spectrum ¡to ¡nucleon ¡spectrum ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 29 ¡

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012

E2dN/dE (GeV cm-2sr-1s-1) Etot (GeV / particle)

All-particle spectrum Grigorov Akeno MSU KASCADE Tibet KASCADE-Grande IceTop73 HiRes1&2 TA2013 Auger2013 CREAM all particle Protons He CNO Si-Mg Fe Total H3a 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012

E2dN/dE (GeV m-2sr-1s-1) Enucleon (GeV)

Spectrum of nucleons Protons He CNO Si-Mg Fe Total H3a

φi(E) ≡ E dNi dE = Σ3

j=1ai,jE−γi,j × exp

 − E ZiRc,j

Three-­‑populaYon ¡models ¡

p He CNO Mg-Si Fe

• Pop. 1:

7860 3550 2200 1430 2120 Rc = 4 PV 1.66 1 1.58 1.63 1.67 1.63

• Pop. 2:

20 20 13.4 13.4 13.4 Rc = 30 PV 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4

• Pop. 3:

1.7 1.7 1.14 1.14 1.14 Rc = 2 EV 1.4 1.4 1.4 1.4 1.4

• Pop. 3(*):

200 0.0 0.0 0.0 0.0 Rc = 60 EV 1.6

H3a ¡ ¡ H4a ¡

GalacYc ¡A ¡ ¡ GalacYc ¡B ¡ ExtragalacYc ¡

TG ¡Astropart. ¡Phys. ¡35 ¡(2012) ¡801 ¡

p He C O Fe 50 < Z < 56 78 < Z < 82

• Pop. 1:

7000 3200 100 130 60 Rc = 120 TV 1.66 1 1.58 1.4 1.4 1.3

• Pop. 2:

150 65 6 7 2.3 0.1 0.4 Rc = 4 PV 1.4 1.3 1.3 1.3 1.2 1.2 1.2

• Pop. 3:

14 0.025 Rc = 1.3 EV 1.4 1.2

GST ¡

TG, ¡Stanev, ¡Tilav, ¡Front. ¡Phys. ¡(Beijing) ¡8 ¡ ¡(2013) ¡748 ¡(arXiv:1303.3565 ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 30 ¡

GST ¡3 ¡populaYon ¡model ¡

Primary Energy, E [GeV]

3

10

4

10

5

10

6

10

7

10

8

10

9

10

10

10

11

10 ]

• 1

s

• 1

sr

• 2

m

1.6

dN/dE [GeV !

2.6

E 1 10

2

10

3

10

4

10

Population 1 Population 2 Population 3 Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 31 ¡

GSF ¡(Global ¡Spline ¡Fit) ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 32 ¡

“Data-­‑driven”, ¡no ¡input ¡model ¡ ¡ ¡(H. ¡Dembinski ¡et ¡al., ¡1711.11432) ¡

V.V. Prosin et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 756 (2014) 94–101 99

TUNKA ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 33 ¡

IceCube/IceTop ¡coincident ¡events ¡

IceCube, ¡ICRC ¡2015, ¡arXiv:1510.05225 ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 34 ¡

Nucleon ¡spectra: ¡compare ¡H3a, ¡GSF ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 35 ¡

102 103 104 105 100 101 102 103 104 105 106 107 108 E2.7dN/dE (m-2sr-1s-1GeV1.7) Ek (GeV/nucleon)

¡nucleon-­‑components ¡

Compare ¡p ¡and ¡He ¡(incl. ¡data) ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 36 ¡ 102 103 104 105 100 101 102 103 104 105 106 107 108 E2.7dN/dE (m-2sr-1s-1GeV1.7) Ek (GeV/nucleon)

AMS02 protons AMS02 He CREAM3 protons CREAM3 helium TG-Evans GHLS+7 TG-Evans-7 all-nucleon 1.66E+4 x E**-2.7 H3a all nucleons H3a protons H3a He GSF all nucleons GSF protons GSF helium

AMS02-­‑compare3Hans ¡

UncertainYes ¡in ¡convenYonal ¡ν ¡fluxes: ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 37 ¡

10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 103 104 105 106 107 108 νµ νe E3 dN/dEν (GeV2cm-2sr-1s-1) Eν (GeV) Angle averaged ν +anti-ν from EPOS-LHC for 5 primary spectrum models H3a GST1 GST2 Honda06 Poly-mod 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 103 104 105 106 107 108 Ratio to Honda 06 Eν (GeV) H3a GST1 GST2 Honda Poly-mod 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 103 104 105 106 107 νµ νe E3 dN/dEν (GeV2cm-2sr-1s-1) Eν (GeV) Scaling Honda et al. 2007 Sib 2.3 dev Sib 2.1 EPOS LHC QGSjet II-04 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 103 104 105 106 107 Ratio to EPOS LHC Eν (GeV) QGSjet II-04 EPOS LHC Sib 2.3 dev Sib 2.1

Different ¡primary ¡spectra ¡ Different ¡hadronic ¡interacYon ¡models ¡ TG: ¡1605.03073 ¡

UncertainYes ¡in ¡prompt ¡ν ¡

Trieste, ¡28/05/2018 ¡ Tom ¡Gaisser ¡ 38 ¡

10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 103 104 105 106 107 108 νµ νe Prompt neutrinos E3 dN/dEν (GeV2cm-2sr-1s-1 Eν (GeV) SIB2.3-Rc1 conventional ERS rescaled BERSS-H3a SIB2.3-Rc1 prompt Sib23c H3a Sib23c GSF

Benzke ¡Garzelli, ¡et ¡al., ¡arXiv: 1705.10386 ¡

Enberg, ¡Reno, ¡Sarcevic, ¡Phys. ¡Rev. ¡D ¡78 ¡(2008) ¡043005 ¡ Bharacharya, ¡Enberg, ¡Reno, ¡Sarcevic, ¡Stasto, ¡JHEP ¡06 ¡(2015) ¡110 ¡ Sibyll ¡2.3: ¡F. ¡Riehn ¡et ¡al., ¡ICRC ¡2017 ¡

Note ¡lower ¡crossover ¡for ¡electron ¡neutrinos ¡