German Title: Das Energiespektrum der kosmischen Elektronen gemessen mit H.E.S.S.

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Abstract

The spectrum of cosmic-ray electrons has so far been measured using balloon and satellite based instruments. At TeV energies, however, the sensitivity of such instruments is very limited due to the low flux of electrons at very high energies and small detection areas of balloon/satellite based experiments. The very large collection area of ground-based imaging atmospheric Cherenkov telescopes gives them a substantial advantage over balloon/ satellite based instruments when detecting very-high-energy electrons (> 300 GeV). By analysing data taken by the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), this work extends the known electron spectrum up to 4 TeV - a range that is not accessible to direct measurements. However, in contrast to direct measurements, imaging atmospheric Cherenkov telescopes such as H.E.S.S. detect air showers that comic-ray electrons initiate in the atmosphere rather than the primary particle. Thus, the main challenge is to differentiate between air showers initiated by electrons and those initiated by the hadronic background. A new analysis technique was developed that determines the background with the support of the machine-learning algorithm Random Forest. It is shown that this analysis technique can also be applied in other areas such as the analysis of diffuse gamma rays from the Galactic plane.

Translation of abstract (German)

Das Spektrum der kosmischen Elektronen wurde bisher nur mit Ballon- und Satellitenexperimenten gemessen. Bei hohen Energien im TeV-Bereich ist allerdings die Sensitivität dieser Experimente nicht ausreichend, da bei diesen Energien der Teilchenfluss der Elektronen nur sehr gering ist und Ballon- oder Satellitenexperimente nur über sehr kleine Detektionsflächen verfügen. Die sehr großen Detektionsflächen von erdgebundenen Experimenten sind im Gegensatz dazu besonders geeignet für die Messung von hochenergetischen, kosmischen Elektronen (> 300 GeV). Durch die Analyse von Daten, die mit dem High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) gemessen wurden, wird in dieser Arbeit erstmalig das bisher bekannte Spektrum der kosmischen Elektronen auf 4 TeV erweitert - ein Bereich, der nicht mehr von ballon- und satellitengestützten Messungen abgedeckt werden kann. Im Vergleich zu direkten Messungen detektieren abbildende Cherenkovteleskope wie H.E.S.S. nicht die Primärteilchen sondern die Luftschauer, die diese in der Atmosphäre erzeugen. Eine Hauptherausforderung ist damit die Unterscheidung zwischen Luftschauern, die von Elektronen, und solchen, die von hadronischem Untergrund erzeugt werden. Dazu wurde in dieser Arbeit eine neue Analysemethode entwickelt, die den Untergrund mit Hilfe des selbstlernenden Algorithmus Random Forest bestimmt. Es wird gezeigt, dass diese Analysemethode auch auf andere Anwendungen übertragbar ist wie zum Beispiel die Analyse von diffuser Gamma-Strahlung aus der Galaktischen Ebene.