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Reconstruction and Analysis of Highest Energy γ-Rays and its Application to Pulsar Wind Nebulae

Joshi, Vikas

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Abstract

The High Altitude Water Cherenkov (HAWC) γ-ray observatory detects cosmic- and γ-rays in the TeV energy range. HAWC was recently upgraded with a sparse detector array (the outrigger array), which increases the instrumented area by a factor of 4-5 and will improve the sensitivity at energies greater than 10 TeV. This thesis consists of a number of contributions towards the improvement of the performance of HAWC at the highest energies and the study of a prominent high energy source, 2HWC J2019+367. To decide on components of the outrigger array, simulation input is provided. A new Monte Carlo template-based reconstruction method for air shower arrays is developed. It reconstructs the core location and energy of γ-ray showers. The goodness of fit of the method is utilised to separate the cosmic- and γ-ray showers. This method significantly improves the HAWC shower reconstruction and combines the reconstruction of HAWC and the outrigger array. In-depth spectral and morphological studies of 2HWC J2019+367 are performed. 2HWC J2019+367 shows a hint of energy-dependent morphology. A new HAWC source is discovered in the vicinity associated with VER J2016+371. The preferred direction of the X-ray and TeV emission indicates their association, and their combined spectral modelling show that 2HWC J2019+367 is likely to be the TeV pulsar wind nebula of PSR J2021+3651.

Translation of abstract (German)

Das High Altitude Water Cherenkov (HAWC) γ-Strahlen-Observatorium weist kosmische Strahlung und γ-Strahlung im Energiebereich von TeV nach. HAWC wurde kürzlich um ein dünn besetztes Detektorfeld (Outrigger Array) erweitert, welches die instrumentierte Fläche um einen Faktor 4-5 vergrößert und die Sensitivität bei Energien über 10 TeV verbessern wird. Diese Arbeit umfasst eine Reihe von Beiträge zur Verbesserung der Empfindlichkeit von HAWC bei den höchsten Energien, sowie eine Untersuchung einer bedeutenden Hochenergiequelle, 2HWC J2019+367. Simulationsergebnisse werden genutzt, um Komponenten für das Outrigger Array zu wählen. Eine neue Rekonstruktionsmethode für Luftschauer-Detektorfelder basierend auf Monte-Carlo Templates wird entwickelt. Sie rekonstruiert das Zentrum und die Energie von γ-Schauern. Die Fitqualität der Methode wird zur Unterscheidung von kosmischer und γ-Strahlung benutzt. Diese Methode verbessert die Schauer-Rekonstruktion von HAWC signifikant und kombiniert die Rekonstruktion von HAWC und des Outrigger Arrays. Tiefgehende spektrale und morphologische Untersuchungen von 2HWC J2019+367 werden durchgeführt. 2HWC J2019+367 zeigt Hinweise auf eine energieabhängige Morphologie. Im Verlauf der Untersuchungen wurde eine neue HAWC-Quelle in der zu VER J2016+371 gehörenden Umgebung entdeckt. Die Vorzugsrichtung der Röntgen- und TeV-Strahlung deutet auf eine Verbindung der Quellen hin und ein kombiniertes spektrales Modell beider Quellen zeigt, dass es sich bei 2HWC J2019+367 höchstwahrscheinlich um den TeV Pulsarwind-Nebel von PSR J2021+3651 handelt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hinton, Prof. Dr. Jim
Date of thesis defense: 6 February 2019
Date Deposited: 15 Feb 2019 10:56
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
530 Physics
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