Kurzfassung
Die An- oder Abwesenheit schwacher primordialer Magnetfelder in den Leerräumen zwischen Galaxienhaufen ist ein empfindlicher Test für die Physik des frühen Universums. Bisher konnten durch Beobachtungen nur Grenzwerte für die Stärke und Kohärenzlänge dieser Felder festgelegt werden. Eine indirekte Methode zur Festlegung unterer Grenzwerte für die Stärke dieser Felder und damit zum Nachweis ihrer Anwesenheit ist die Unterdrückung des sekundären Gammastrahlenflusses von weit entfernten VHE-Gammastrahlenquellen. TeV-Gammastrahlen induzieren elektromagnetische Kaskaden aufgrund von Paarbildungswechselwirkungen mit Photonen, die das extragalaktische Hintergrundlicht bilden und den gemessene Fluss bei hohen Energien reduzieren. Die Kaskaden-Elektronen und -Positronen erzeugen einen sekundären Gammastrahlenfluss mit niedrigerer Energie. Die experimentelle Nichtbeobachtung dieser sekundären Flusskomponente kann durch die Ablenkung der geladenen Elektronen und Positronen in den Magnetfeldern erklärt werden. Eine alternative Erklärung, die in der Literatur kontrovers diskutiert wurde, ist der Einfluss von Plasmainstabilitäten auf den gesamten neutralen Strahl, der aus Elektronen und Positronen besteht, die sich durch ein Hintergrundplasma, das intergalaktische Medium, ausbreiten. Diese Instabilitäten könnten dem Strahl Energie entziehen, ohne eine sekundäre Gammastrahlenkomponente zu erzeugen, oder Teilchen ablenken, ohne dass ein äußeres Magnetfeld vorhanden ist.
Moderne Beschleuniger können Strahlen erzeugen, die die Untersuchung der relevanten Instabilitätsprozesse in einer Laborumgebung ermöglichen. Trotz des großen Unterschieds der Skalen kann es möglich sein, mithilfe von Skalierungsbeziehungen, die abgeleitet werden müssen, zu extrapolieren. In dieser Arbeit untersuchen wir die Instabilitätsmechanismen mithilfe von Particle-in-Cell-Simulationen. Wir stellen fest, dass die Instabilität zum Aufbau eines strukturierten elektrischen Feldes führt, das dem Strahl Energie entziehen kann, indem es das Hintergrundmedium erhitzt, oder die Strahlteilchen durch einen Impulsdiffusionsprozess ablenkt, der mit einer Fokker-Planck-Gleichung modelliert werden kann. Die Veränderung der Impulsverteilung des Strahls könnte in einem Laborexperiment als leicht zugängliche experimentelle Nachweißgröße dienen. Wir stellen fest, dass der Instabilitätsmechanismus sowohl in neutralen Paarstrahlen als auch in experimentell leichter handhabbaren reinen Elektronenstrahlen auftritt.
The presence or non-presence of weak primordial magnetic fields in the voids between galaxy clusters is a sensitive probe for the physics of the early universe. Currently observations have only been able to set limits for the strength and coherence length of these fields. An indirect method for setting lower limits on the strength of these fields, and thus prove their presence, is the suppression of the secondary gamma ray flux from far away VHE gamma ray sources. TeV gamma rays induce electromagnetic cascades due to pair production interactions with photons that constitute the extragalactic background light reducing the received flux at high energies. The cascade electrons and positrons produce a secondary flux of gamma rays at lower energies. The experimental non-observation of this secondary flux component can be explained by the deflection of the charged electrons and positrons in the magnetic fields. An alternative explanation that has been controversially discussed in the literature is the influence of plasma instabilities on the overall neutral beam consisting of electrons and positrons propagating through a background plasma, the intergalactic medium. These instabilities could drain energy from the beam without producing a secondary gamma ray component or deflect particles without the presence of an external magnetic field. Modern accelerators can produce beams that allow the study of the relevant instability processes in a laboratory environment. Despite the vast difference of scales it can be possible to extrapolate using scaling relationships that have to be derived. In this work we study the instability mechanisms using particle-in-cell simulations. We find that the instability leads to the build up of a structured electric field that can drain energy from the beam by heating the background medium or deflect the beam particles by a momentum diffusion process that can be modeled using a Fokker-Planck equation. The changing of the beam momentum distribution could serve as an easily accessible experimental probe in a laboratory experiment. Lastly we find that the instability mechanism takes place in both neutral pair beams and experimentally more easily handleable pure electron beams.