Titelaufnahme

Titel
The Variable High Energy - Gamma Ray Sky with H.E.S.S. & Towards a Calibration Unit for CTA FlashCam
VerfasserBernhard, Sabrina
GutachterReimer, Olaf
Erschienen2017
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2017
Anmerkung
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Datum der AbgabeJuni 2017
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)H.E.S.S. / CTA / Gamma-Strahlung / Astroteilchen Physik
Schlagwörter (EN)H.E.S.S. / CTA / gamma-rays / astroparticle physics
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Die Messung kosmischer Gamma-Strahlung ist ein Forschungsfeld, welches den Menschen tiefe Einblicke in viele Bereiche der Astroteilchenphysik liefern kann. Cherenkov Teleskope, so wie das H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) Experiment (Khomas Highland, Namibia), sind in der Lage hochenergetische Gamma-Strahlung indirekt nachzuweisen. Gamma-Strahlung wechselwirkt mit der Erdatmosphäre und erzeugt ausgedehnte Luftschauer, bestehend aus Sekundärteilchen, welche dort wiederum Cherenkov Photonen produzieren. Diese können schließlich von den Teleskopen gemessen und Rückschlüsse auf die Eigenschaften des primären Gamma-Teilchen gezogen werden.

Momentan wird eine neue Generation von Cherenkov Teleskopen entwickelt und gebaut. CTA (Cherenkov Telescope Array) zielt darauf ab, sowohl den Bereich der detektierbaren Teilchen-Energie, als auch die Sensitivität der Messungen zu erweitern. Es ist geplant jeweils auf der Nord- und der Südhalbkugel der Erde 20, bzw. 100 Teleskope zu bauen, um die Beobachtung des gesamten Himmels zu ermöglichen.

Sowohl der sorgfältige Aufbau eines Experiments aus verlässlich funktionierenden Komponenten als auch die präzise Analyse der Messdaten sind unabdingbar für die erfolgreiche Durchführung von Messungen. Die vorliegende Arbeit berührt beide dieser Themen und kann folgendermaßen unterteilt werden:

Der Analyse-Teil: Beobachtung variabler Gamma-Quellen mit den H.E.S.S. Teleskopen

H.E.S.S. hat über mehr als 15 Jahre lang Messdaten verschiedenster Gamma-Quellen gesammelt. Darunter können sich nun Quellen befinden, welche einen variablen Gamma-Fluss aufweisen. Solche Phänomene können bisherigen Analyse-Methoden aus Mangel an Sensitivität verborgen geblieben sein. Um sensitiver auf diese Änderungen im Gamma-Fluss zu sein, wurde eine spezielle Transient Analyse in die bestehende H.E.S.S. Paris Analysis implementiert. Unterschiedliche statistische Tests, welche auf die Ankunftszeiten einzelner Ereignisse im Detektor angewendet werden, versprechen eine höhere Sensitivität als konventionell verwendete Methoden. In dieser Arbeit soll die Transient Analysis bezüglich ihrer Sensitivität und ihrer Reproduzierbarkeit untersucht werden. Auch die einzelnen Tests werden untereinander verglichen, um deren Vor- und Nachteile aufzuzeigen. Schließlich wird die Transient Analysis dazu verwendet, Messdaten von Quellen, welche vielversprechend bezüglich eines variablen Fluss-Verhaltens erscheinen, auszuwerten.

Der experimentelle Teil: Eine Kalibrationseinheit für CTA FlashCam

FlashCam ist ein Projekt mit dem Ziel eine Teleskop-Kamera für die CTA Medium Size Telescopes (MSTs) zu bauen. Diese Kameras, welche typischerweise aus einer Vielzahl von Photoelektronenvervielfacher bestehen, müssen regelmäßig kalibriert werden, um eine verlässliche Leistung zu garantieren. In dieser Arbeit werden Komponenten selektiert und getestet, aus welchen eine mögliche Kalibrationseinheit für FlashCam angefertigt werden kann. Dies bildet die Grundlage für die endgültige Auswahl dieser Komponenten und schließlich für den Bau der Kalibrationseinheit in Zusammenarbeit mit dem FlashCam-Konsortium.

Zusammenfassung (Englisch)

The nature of cosmic gamma rays is a field of research which has been attracting human's interest since many decades. Their detection and examination can shed light on many key science topics of astroparticle physics. Ground-based imaging Cherenkov telescopes, like the H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) experiment in Khomas Highland, Namibia, are able to capture gamma ray induced air-showers in the Earth's atmosphere by detecting Cherenkov photons which they emit. A new generation of Cherenkov telescopes is currently under construction. Compared to previous experiments CTA (Cherenkov Telescope Array) aims to extend the detectable energy range and reach a signifcantly higher sensitivity. A northern and a southern telescope array with about 20 and 100 telescopes respectively is under construction. This consequently allows for a full sky coverage. For a successful Cherenkov telescope experiment, both a reliable hardware performance and a precise and sensitive analysis of the measured data is indispensable.

The present work gets in touch with both fields and is subdivided in two distinguished parts:

The Analysis Part: Detection of transient phenomena in the Very High Energy gamma ray sky with H.E.S.S.:

After almost 15 years of data taking with the H.E.S.S. telescopes, shorttime variable phenomena, such as gamma ray bursts and flares from gamma ray emitting sources, might have occurred and been measured without being revealed by the present H.E.S.S. analysis. To be more sensitive to this kind of events, a new analysis technique, called Transient Analysis, was developed and implemented in the existing H.E.S.S. Paris Analysis chain. It provides several event-based statistical tests to probe a source on variability. After the implementation of the Transient Analysis its performance, reliability, and the sensitivity were investigated in this work and compared to conventional analysis methods. Subsequently the Transient Analysis is used to search for variable phenomena and for a refined investigation of sources already known for their transient behavior.

The Hardware Development Part: A calibration device for CTA FlashCam:

FlashCam is one of several projects with the aim to build a photo multiplier tube-based telescope camera for the Medium Size Telescopes (MSTs) of CTA. These cameras must be calibrated on a regular basis in order to perform in a reliable way. In this work several components were selected and tested for the assembling of a suitable calibration unit. Using such a calibration device, the camera can be calibrated regarding its response to a specific light input. This work provides a basis for the final selection of the component and the construction of the calibration device in collaboration with the FlashCam consortium.