Jürgen Prahl, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 1999:

Suche nach kosmischen γ-Punktquellen oberhalb von 20 TeV mit den HEGRA-Detektorfeldern


Schlagwörter: gamma-Astronomie, kosmische Strahlung, Her X-1, Supernova-Überreste, Blazare, Himmelsdurchmusterung, statistische Methoden
Abstract

Kurzfassung
In dieser Arbeit wird die Suche nach Punktquellen hochenergetischer γ-Strahlung oberhalb von 20 TeV in einem Datenzeitraum von Dezember 1993 bis September 1995 mit dem HEGRA-Szintillationszähler- und AIROBICC-Detektorfeld beschrieben. Der Schwerpunkt liegt dabei auf einer möglichst vollständigen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Daten hinsichtlich der Empfindlichkeit. Die ausgeführte sorgfältige Mte-Carlo-Simulation der registrierten Ereignisse der kosmischen Strahlung erlaubt dabei die Verwendung sämtlicher erfaßter Ereignisse in der γ-Quellensuche.

Das Repertoire an Methoden zur Auswertung der Daten ist in drei Richtungen über den üblichen Rahmen hinaus erweitert:


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Es wird eine neue γ-Hadron-Separation (,, pearl``) entwickelt, die auf mit den HEGRA-Felddetektoren meßbaren Größen basiert und die auch noch an der Nachweisschwelle zu signifikanten Empfindlichkeitssteigerungen um einen Faktor von mindestens 1,4 σ führt.

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Die Quellkandidaten werden neben dem Test auf den integralen Fluß noch zwei weiteren, allgemein auf variable Flüsse empfindlichen Tests unterzogen. Einer dieser Tests (,,exp-Test``) ist speziell hierfür entwickelt.

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Mit einer neu entwickelten Prozedur wird unter voller Beibehaltung der Empfindlichkeit eine Rastersuche nach γ-Punktquellen am gesamten mit AIROBICC sichtbaren Himmel durchgeführt.
Ein interessantes, bisher nicht bekanntes Ergebnis, das sich auf den Zusammenhang zwischen longitudinaler Entwicklung der Teilchenzahl eines Luftschauers einerseits und der Lateralverteilung des den Boden erreichenden Cherenkovlichtes andererseits bezieht, wurde bei den systematischen Studien zur γ-Hadron-Separation gefunden:
Über weite Bereiche von Schauerparametern ist die Form der Lateralverteilung der Cherenkovlichtdichte nicht explizit abhängig von der Höhe des Maximums der Longitudinalverteilung, sondern nur vom Verhältnis der Teilchenzahlen im Maximum und am Erdboden.

Bei der durchgeführten Suche nach 61 ausgewählten Einzelquellen (Supernova-Überreste, andere galaktische Quellkandidaten und Blazare) fallen 2 Objekte durch individuelle Signifikanzen von integralen Flußüberschüssen auf: Der Blazar 1426+428 mit 4,1 σ und das Röntgenbinärsystem Her X-1 mit 3,3 σ. Das Ergebnis des auf alle erhaltenen Einzelsignifikanzen angewandten Fisher-Tests beträgt 2,9 σ, was einer Zufallswahrscheinlichkeit von 1,79×10-3 entspricht und als Hinweis auf γ-Strahlung dieser beiden Objekte verstanden werden kann. Im Falle von Her X-1 liefern die Ergebnisse der Variablilitätstests und einer Phasenanalyse weitere leichte Indizien für ein Signal. Für die anderen untersuchten Objekte ergeben sich obere γ-Flußgrenzen von typisch 2×10-13 cm-2 s-1 bei einer Schwellenenergie von ca. 20 TeV.

In der Suche nach unbekannten γ-Punktquellen in 37% der gesamten Himmelssphäre ergeben sich keine signifikanten, auf Quellen hindeutenden Effekte. Die erhaltenen globalen γ-Flußgrenzen von ca. 8×10-13 cm-2 s-1 bei Energieschwellen von 20 TeV sind die derzeit einzigen in diesem Energieregime gemessenen Werte.

Eine darüber hinaus durchgeführte Rastersuche auf variable Flüsse ergibt ebenfalls keine Hinweise auf Signale.



Titel

Kurzfassung

Abstract
The topic of this thesis is the search for point sources of high energy γ-rays (above 20 TeV) during the time interval from December 1993 until September 1995 with the HEGRA scintillator and AIROBICC arrays. The main aim is to exploit the available data as complete as possible in order to achieve a maximum in sensitivity. A thorough MteCarlo simulation of the registered events from the cosmic-ray-induced air showers allows for the use of all aquired events.

The toolbox of data analysis methods is extended in three ways beyond the generally applied procedures:


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A new γ-hadron separation method named pearl is developed which is based on quantities measurable with the HEGRA array detectors. This method yields even at the detection threshold a significant enhancement in sensitivity of a factor of at least 1.4 σ.

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In addition to the test for DC fluxes all candidate sources are tested for variable fluxes with the help of two procedures that are generally sensitive to variability. One of these tests (``exp-test'') is newly developed especially for this purpose.

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Using a newly designed procedure that keeps the full sensitivity for γ-ray point sources, an all-sky search for γ-ray point sources is carried out of the whole region visible with AIROBICC.
An interesting side-result (that was not known up to now) concerning the relationship between longitudinal development of an air shower and the lateral distribution of the Cherenkov light reaching the ground was found during the studies on γ-hadron separation:
over a broad range of shower parameters the shape of the lateral distribution of the Cerenkov light is not explicitly dependent on the height of the shower maximum, but only on the ratio between the number of particles at the maximum and at ground level.

In the search for 61 selected point source candidates (supernova remnants, other galactic source candidates and blazars), two objects show up with individual significances of DC flux excesses that are worth to mention: the blazar 1426+428 with 4.1 σ and the X-ray binary Her X-1 with 3.3 σ. The Fisher-Test applied to the spectrum of all individual DC significances results in an overall significance of 2.9 σ, corresponding to a chance probability of 1.79×10-3, which may be interpreted as a hint on a possible γ signal of both sources. In the case of Her X-1, an applied phase analysis yield some faint additional hints on a real signal. For the other investigated objects, flux upper limits of typically 2×10-13 cm-2 s-1 are obtained, for energy thresholds of approximately 20 TeV.

In the search for unknown γ-ray sources in 37% of the whole sky sphere no significant effects of sources are observed. Instead, global upper limits on the flux of approximately 8×10-13 cm-2 s-1 at energy thresholds of 20 TeV are derived. These are the first limits of this kind so far in that energy regime.

An additionally performed sky survey using the tests for variable fluxes yields no hints for possible signals either.