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Development of an advanced gamma/hadron separation technique and application to particular gamma-ray sources with H.E.S.S.

Ohm, Stefan

German Title: Entwicklung einer erweiterten Gamma/Hadron Separationstechnik und Anwendung auf besondere Gammastrahlungsquellen mit H.E.S.S.

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Abstract

The High Energy Stereoscopic system, H.E.S.S. is an array of four imaging atmospheric Cherenkov telescopes, designed for the study of non-thermal phenomena in the universe at very high energies (VHE). The sensitivity of telescope systems such as H.E.S.S. can considerably be improved by a better discrimination of the vast number of hadronic cosmic-ray background events against the very rare gamma-ray signal events. In this work, an elaborated discrimination technique – the Boosted Decision Tree method – has been developed and its capabilities in terms of gamma/hadron separation and improved sensitivity are demonstrated. In the second part, the BDT method is applied to data obtained in observations of massive star forming environments, namely the colliding wind binary η Carinae, the massive stellar cluster Westerlund 1 and the Starburst galaxy NGC 253. An upper limit on the gamma-ray flux of the famous colliding wind binary system η Carinae is derived and, for the first time, an alternative model for the high-energy emission observed by the Fermi satellite is presented. The detection of very extended VHE gamma-ray emission from the vicinity of Westerlund 1 is reported and thorough spectral and morphological tests are presented. Large parts of the resolved emission can be explained in a hadronic scenario, however, a decisive conclusion can not be drawn. Finally, the BDT method allowed to detect the first Starburst galaxy, namely NGC253, in VHE gamma rays. Spectral and morphological results are presented and suggest that large parts of the CR energy content are convectively and diffusively transported into the intergalactic medium.

Translation of abstract (English)

H.E.S.S. ist ein System aus vier abbildenden Cherenkov Teleskopen und untersucht das nicht-thermische Universum bei Energien im 100 GeV-100 TeV Bereich. Die Sensitivitaet von H.E.S.S. ist hauptsaechlich durch die effektive Unterdrueckung der enormen Anzahl an hadronischen Untergrundereignissen in der Analyse bestimmt. In dieser Arbeit wurde eine neue Analysemethode, die sogenannte Boosted Decision Trees (BDT) Methode, auf Daten und Simulationen angewendet und zeigt ein enormes Potential in der gamma/Hadron Separation. Ausfuehrliche Tests mit Simulationen und Beobachtungsdaten realer Gammaquellen demonstrieren die Eignung der BDT Methode und zeigen eine deutlich hoehere Signifikanz im Vergleich zur Standardanalyse. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die BDT Methode auf Beobachtungsdaten von Regionen massiver Sternformation angewendet. Die Analyse von Daten aus Richtung des beruehmten Binaersystems η Carinae ergab eine Flussobergrenze, die im Vergleich mit Messungen des Fermisatelliten interessante Implikationen auf Beschleunigungsprozesse zulassen. Sehr ausgedehnte Gammastrahlungsemission wurde aus der Umgebung des massiven Sternhaufens Westerlund 1 detektiert. Detaillierte systematische Tests hinsichtlich der Morphologie und des Energiespektrums wurden durchgefuehrt. Ein Teil der Emission koennte in einem hadronischen Szenario erklaert werden. Schliesslich konnte mit Hilfe der BDT Analyse das erste Gammasignal von einer “Starburst” Galaxie – NGC 253 – nachgewiesen werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hofmann, Prof. Dr. Werner
Date of thesis defense: 21. May 2010
Date Deposited: 14. Jun 2010 09:03
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: multivariate analysis techniques , star formation regions , gamma-ray emission
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