During the past decennia, progress in the area of high-energy astroparticle physics was exceptional, mainly due to the great success of the bridging of particle- and astrophysics both in theory and in the instrumentation of astroparticle physics observatories. Multimessenger data coming from charged cosmic-ray-, gamma-ray- and neutrino-observatories start to shed more and more light on the nature and origin of cosmic rays. At the same time, the development of methods for the investigation of cosmic-ray transport, acceleration and interaction has advanced to the true potential of tying these different pieces of multimessenger data together, this way closing in on the origin of cosmic rays. In recent years, this rapid interplay between modeling and observations has made it clear that it is essential to add the ingredient of plasma physics to the problem. It has been shown that even the interpretation of data of highly relativistic cosmic rays at TeV energies and above is in need of a proper modeling of the plasma physics involved. One of the most important examples is the understanding of wave-particle interactions. In simulations of cosmic-ray transport in the Galaxy, the cosmic-ray diffusion coefficient is typically approximated with a Kolmogorov-type cascade model, resulting in an energy-dependent parallel diffusion coefficient with . Here, we show how the energy dependence of the diffusion coefficient can be investigated systematically as a function of . The complex energy behavior that goes well beyond a simple powerlaw interpretation will be presented together with a formal definition of an energy range that indeed can be approximated as a powerlaw. These results are applied to cosmic-ray transport in the Milky Way. Finally, the transition between the ballistic and diffusive regime will be investigated for astrophysical sources with special focus on relativistic plasmoids of active galaxies.
過去数十年間における高エネルギー天体素粒子物理学の進展は、素粒子物理学と天体物理学の理論および天体素粒子物理学観測装置の両面における橋渡しが大いに成功したことにより、飛躍的なものであった。荷電宇宙線、ガンマ線、ニュートリノの各観測装置から得られるマルチメッセンジャーデータは、宇宙線の起源と性質についてますます多くの知見をもたらしつつある。同時に、宇宙線の輸送、加速、相互作用の研究手法の発展は、これらの異なるマルチメッセンジャーデータを結びつけ、宇宙線の起源に迫る真の可能性を切り開いてきた。近年、観測とモデリングの急速な相互作用により、この問題にプラズマ物理学の要素を加えることが不可欠であることが明らかになっている。TeVエネルギー以上における高相対論的宇宙線の解釈でさえ、関連するプラズマ物理学の適切なモデリングを必要とすることが示されている。最も重要な例の一つが、波動-粒子相互作用の理解である。銀河系内の宇宙線輸送のシミュレーションでは、宇宙線の拡散係数は典型的にコルモゴロフ型カスケードモデルで近似され、その結果、エネルギーに依存する平行拡散係数が得られる。本稿では、拡散係数のエネルギー依存性を系統的に調べる方法を示す。単純なべき乗則の解釈をはるかに超える複雑なエネルギー挙動を提示するとともに、べき乗則として近似できるエネルギー範囲の形式的定義を示す。これらの結果は、天の川銀河における宇宙線輸送に適用される。最後に、活動銀河の相対論的プラズモイドに特に焦点を当て、天体物理学的源における拡散的領域と弾道的領域の間の遷移について考察する。