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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-56995
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2012/5699/


Study for the wide-angle air Cherenkov detector HiSCORE and time gradient event reconstruction for the H.E.S.S. experiment

Studie für den Weitwinkel-Luftcherenkov Detektor HiSCORE und Ereignisrekonstruktion für das H.E.S.S. Experiment mittels Zeitgradient

Hampf, Daniel

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SWD-Schlagwörter: Astronomie , Gammaastronomie , Gammastrahlenteleskop
Basisklassifikation: 39.11 , 39.22
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Astronomie, Kartographie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Horns, Dieter (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.05.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 16.07.2012
Kurzfassung auf Englisch: This thesis presents efforts to extend the range of astronomical gamma-ray observations to the ultra high energy regime, i.e. to energies above 3x10^13 eV. Current gamma-ray instruments like the H.E.S.S. Cherenkov telescope array have limited sensitivity towards those energies, since the flux of gamma-ray sources is extremely small in this regime and not enough events can be detected with the available effective areas.
It is shown that the potential of H.E.S.S. for the observation at ultra high energies can be improved by utilising the data on the time evolution of the recorded Cherenkov light images. Essentially this becomes possible since the timing data offers an additional, rather robust method for the core position and direction reconstruction of events with large core distances. The potential of this method is quantified using air shower and detector simulations along with a newly developed event reconstruction algorithm. Additionally, the use of time information is tested on real H.E.S.S. data.
While the timing data analysis can improve the performance of current gamma-ray instruments towards the high energy end of their sensitivity range to a certain extent, opening up the window to ultra high energy gamma-ray observations will only be possible with dedicated instruments. To that end, a new gamma-ray observatory with a very large effective area is proposed. A study of this new detector, called HiSCORE, is presented.
The HiSCORE design is based on an array of wide-angle, non-imaging Cherenkov light detectors, spaced more than hundred metres apart from each other. The Cherenkov light front is sampled by photomultipliers and a fast readout system. Due to a cost-effective design of the detector stations and the large inter-station spacing it becomes feasible to equip an area of 10 km^2 to 100 km^2 at a reasonable effort.
It is shown in this thesis that despite the large inter-station spacing and thus the low number of data channels a decent event reconstruction is possible using a specifically developed algorithm. The resolution of the direction and energy reconstruction is comparable to current gamma-ray observatories. The energy range between 5x10^13 eV and 10^16 eV is ideally suited to complement the currently possible gamma-ray observations. The expected sensitivity is sufficient to study in detail the ultra high energy continuation of the energy spectra of currently known sources, and to search for the – yet undiscovered – Galactic objects that accelerate cosmic rays to energies above 10^15 eV (pevatrons). Additionally, the HiSCORE detector offers possibilities for cosmic ray and, indirectly, particle physics measurements.
Additionally, the question of a suitable deployment site for the detector is discussed. Several possible locations are examined using a pre-defined set of criteria. Special focus is given to the visible sky region and to the night sky brightness at the site. One candidate site, the Fowler’s Gap research station in New South Wales, Australia, has been visited for closer examination, and the night sky brightness on site has been characterised using dedicated measurements.
Kurzfassung auf Deutsch: In dieser Arbeit werden Möglichkeiten untersucht, die Beobachtungen von kosmischer Gammastrahlung auf den Energiebereich jenseits von 3x10^13 eV (ultrahohe Energien) auszudehnen. Zur Zeit existierende Experimente, wie das H.E.S.S. Cherenkov Teleskop System, haben bei diesen Energien nur eine begrenzte Sensitivität, da der Gammastrahlungsfluss in diesem Bereich sehr gering ist und mit den verfügbaren effektiven Flächen nicht genügend Ereignisse detektiert werden können.
Es wird gezeigt, dass das Potenzial des H.E.S.S. Experiments für die Beobachtung bei ultrahohen Energien verbessert werden kann, wenn die Informationen aus der Zeitentwicklung des Cherenkovlichts ebenfalls ausgewertet werden. Im Wesentlichen ist dies möglich, da die Zeitinformation eine zusätzliche, robuste Methode zur Bestimmung des Kernorts und der Herkunftsrichtung, insbesondere für Ereignisse, die weit entfernt von den Teleskopen auftreffen, bietet. Das Potenzial dieser Methode wird mit Hilfe einer Luftschauer- und Detektorsimulation und einem neuen Algorithmus zur Ereignisrekonstruktion untersucht. Zusätzlich wird die Zeitanalyse an echten H.E.S.S. Daten getestet.
Für sensitive Beobachtungen bei ultrahohen Energien sind jedoch neue, dedizierte Instrumente mit viel größeren effektiven Flächen notwendig. Eine Studie für ein solches Experiment, den HiSCORE Detektor, wird vorgestellt.
Das HiSCORE Design beruht auf einem Feld aus nichtabbildenden Weitwinkel-Cherenkovdetektoren mit einem Stationsabstand von mehr als hundert Metern. Die Cherenkovlichtfront wird durch Photomultiplier und eine schnelle Ausleseelektronik aufgenommen. Durch die kostengünstige Bauweise der Detektorstationen und den großen Abstand zwischen den Stationen ist die Instrumentierung einer Fläche von 10 km^2 bis 100 km^2 realisierbar.
In dieser Arbeit wird gezeigt, dass trotz des großen Stationsabstandes und der daraus resultierenden geringen Anzahl an Datenkanälen eine gute Ereignisrekonstruktion möglich ist. Mit einem speziell entwickelten Rekonstruktionsalgorithmus wird eine Winkel- und Energieauflösung erreicht, die vergleichbar mit jener heutiger Systeme für geringere Energien ist. Durch den Energiebereich von 5x10^13 eV bis 10^16 eV ist der Detektor ideal geeignet, um die heutzutage möglichen Messungen zu ultrahohen Energien zu erweitern. Die erwartete Sensitivität ist ausreichend, um die Fortsetzung der bisher bekannten Energiespektren von Gammaquellen zu ultrahohen Energien zu untersuchen, und um nach den bisher unentdeckten galaktischen Objekten zu suchen, die die Teilchen der geladenen kosmischen Strahlung auf Energien von über 10^15 eV beschleunigen (Pevatrons). Zusätzlich ermöglicht der HiSCORE Detektor die Messung der geladenen kosmischen Strahlung und, indirekt, Untersuchungen aus dem Bereich der Teilchenphysik.
Schließlich wird die Suche nach einem passenden Standort für den Detektor thematisiert. Verschiedene mögliche Standorte werden nach bestimmten Kriterien betrachtet. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der beobachtbaren Himmelsregion und auf der Resthelligkeit des Nachthimmels. Ein möglicher Standort, die Forschungsstation Fowler’s Gap in New South Wales (Australien), wurde für genauere Untersuchungen besucht, und die Nachthimmelshelligkeit vor Ort wurde mit Hilfe von Messungen charakterisiert.

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