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Cherenkov Camera and Analysis Development for Highest-Energy Gamma-Ray Astronomy

Zorn, Justus

German Title: Entwicklung von Cherenkov-Kameras und einer Analysekette für die hoch-energetische Gammastrahlen-Astronomie

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Abstract

Imaging atmospheric Cherenkov telescopes are used for the detection of highest-energy γ-rays. This thesis focuses on two experiments equipped with such telescopes: The operating High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) and the future Cherenkov Telescope Array (CTA). Four of the five H.E.S.S. cameras saw a major electronics upgrade a few years ago enabling improved readout and analysis techniques mainly at the highest energies. The Compact High-Energy Camera (CHEC) is a design for the Small-Sized Telescopes of CTA focusing on the detection of γ-rays with energies exceeding 1 TeV. The first part of the thesis is dedicated to the characterisation of two CHEC prototype cameras developed successively: CHEC-M and CHEC-S. I present results of laboratory and on-telescope measurements for both cameras. In the case of CHEC-S, I focus on those parameters that had been shown to be performance-limiting in CHEC-M and which were therefore addressed in the design iteration for CHEC-S. The second part is devoted to the upgraded H.E.S.S. cameras. I present results of Monte-Carlo simulation studies, analysis developments, and performance measurements using full-waveform readout. In the former case I demonstrate a general consistency between simulations and measurements, in the latter case I show that the use of full-sampled waveform readout improves the performance, especially at the highest energies. In the last part, I present a new analysis of the Galactic γ-ray source HESS J1646–458 which is associated with Westerlund 1, the most massive stellar cluster in our Galaxy.

Translation of abstract (German)

Atmosphärische Cherenkov Teleskope werden zur Detektion von Gammastrahlen mit den höchsten Energien verwendet. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Experimenten dieser Art: Das sich in Betrieb befindende High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) und das für die Zukunft geplante Cherenkov Telescope Array (CTA). Bei vier der fünf H.E.S.S. Kameras wurde vor einigen Jahren die Elektronik ausgetauscht, wodurch die Datenauslese und Analysetechniken, insbesondere bei den höchsten Energien, verbessert wurden. Die Compact High-Energy Camera (CHEC) ist ein Design für die sogenannten kleinen Teleskope von CTA, welche die Detektion von Gammastrahlen mit Energien oberhalb von 1 TeV ermöglichen. Der erste Teil der Arbeit widmet sich der Charakterisierung zweier CHEC Prototypen, welche nacheinander entwickelt wurden: CHEC-M und CHEC-S. Hierzu präsentiere ich Ergebnisse, welche sowohl bei Messungen im Labor als auch bei Teleskop-Messkampagnen erzielt wurden. Bei den Ergebnissen von CHEC-S konzentriere ich mich insbesondere auf Parameter, welche bei den Tests mit CHEC-M leistungslimitierende Probleme aufgezeigt hatten, und deshalb bei der Überarbeitung des Designs für CHEC-S berücksichtigt wurden. Der zweite Teil beschäftigt sich mit den aufgerüsteten H.E.S.S. Kameras. Hierbei zeige ich Studien zu Monte-Carlo Simulationen, welche die Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation insgesamt verbesserten, sowie die neu entwickelte Analysekette im Zusammenhang mit der Auslese der vollständigen Wellenformen der Cherenkov-Lichtsignale, wodurch verbesserte Ergebnisse insbesondere bei den höchsten Energien erwartet werden. Im letzten Teil präsentiere ich eine neue Analyse der galaktischen Gammastrahlenquelle HESS J1646–458, welche mit Westerlund 1, dem massereichsten Sternenhaufen in unserer Galaxie, assoziiert wird.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hinton, Prof. Dr. Jim
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 18 December 2019
Date Deposited: 09 Jan 2020 13:48
Date: 2020
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
520 Astronomy and allied sciences
530 Physics
Uncontrolled Keywords: Gammastrahlen-Astronomie
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