Study for the Wide-Angle Air Cherenkov Detector Hiscore and Time Gradient Event Reconstruction for the H.E.S.S
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Study for the wide-angle air Cherenkov detector HiSCORE and time gradient event reconstruction for the H.E.S.S. experiment Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades des Department Physik der Universitat¨ Hamburg vorgelegt von Daniel Hampf aus Recife (Brasilien) Hamburg 2012 Gutachter der Dissertation: Prof. Dr. Dieter Horns Prof. Dr. Bruce Dawson Gutachter der Disputation: Prof. Dr. Erika Garutti Dr. Axel Lindner Datum der Disputation: 22.05.2012 Vorsitzender des Prufungsausschusses:¨ Dr. Georg Steinbruck¨ Vorsitzender des Promotionsausschusses: Prof. Dr. Peter Hauschildt Dekan der MIN Fakultat:¨ Prof. Dr. Heinrich Graener If I can see any further, it is only because I am standing on the shoulders of giants. after Bernard of Chartres Dedicated to the memory of the countless men and women who throughout the centuries have devoted their lives to the quest for truth, the advancement of reason and the fight against ignorance. Only the pursuit of enlightenment has enabled humankind to rise above the received conventions of existence, into the boundless space of intellect. Abstract This thesis presents efforts to extend the range of astronomical gamma-ray observations to the ultra high en- ergy regime, i.e. to energies above 3×1013 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 ex- tremely 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 10km2 to 100km2 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 5 × 1013 eV and 1016 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 15 accelerate cosmic rays to energies above 10 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. 4 Zusammenfassung In dieser Arbeit werden Moglichkeiten¨ untersucht, die Beobachtungen von kosmischer Gammastrahlung auf den Energiebereich jenseits von 3 × 1013 eV (ultrahohe Energien) auszudehnen. Zur Zeit existierende Experimente, wie das H.E.S.S. Cherenkov Teleskop System, haben bei diesen Energien nur eine begrenz- te Sensitivitat,¨ da der Gammastrahlungsfluss in diesem Bereich sehr gering ist und mit den verfugbaren¨ effektiven Flachen¨ nicht genugend¨ Ereignisse detektiert werden konnen.¨ Es wird gezeigt, dass das Potenzial des H.E.S.S. Experiments fur¨ die Beobachtung bei ultrahohen Energi- en verbessert werden kann, wenn die Informationen aus der Zeitentwicklung des Cherenkovlichts ebenfalls ausgwertet werden. Im Wesentlichen ist dies moglich,¨ da die Zeitinformation eine zusatzliche,¨ robuste Me- thode zur Bestimmung des Kernorts und der Herkunftsrichtung, insbesondere fur¨ Ereignisse, die weit ent- fernt von den Teleskopen auftreffen, bietet. Das Potenzial dieser Methode wird mit Hilfe einer Luftschauer- und Detektorsimulation und einem neuen Algorithmus zur Ereignisrekonstruktion untersucht. Zusatzlich¨ wird die Zeitanalyse an echten H.E.S.S. Daten getestet. Fur¨ sensitive Beobachtungen bei ultrahohen Energien sind jedoch neue, dedizierte Instrumente mit viel großeren¨ effektiven Flachen¨ notwendig. Eine Studie fur¨ 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 kostengunstige¨ Bauweise der Detektorstatio- nen und den großen Abstand zwischen den Stationen ist die Instrumentierung einer Flache¨ von 10km2 bis 100km2 realisierbar. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass trotz des großen Stationsabstandes und der daraus resultierenden gerin- gen Anzahl an Datenkanalen¨ eine gute Ereignisrekonstruktion moglich¨ ist. Mit einem speziell entwickelten Rekonstruktionsalgorithmus wird eine Winkel- und Energieauflosung¨ erreicht, die vergleichbar mit jener heutiger Systeme fur¨ geringere Energien ist. Durch den Energiebereich von 5 × 1013 eV bis 1016 eV ist der Detektor ideal geeignet, um die heutzutage moglichen¨ Messungen zu ultrahohen Energien zu erweitern. Die erwartete Sensitivitat¨ 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 uber¨ 1015 eV beschleunigen (Pevatrons). Zusatzlich¨ ermoglicht¨ der HiSCORE Detektor die Messung der geladenen kos- mischen Strahlung und, indirekt, Untersuchungen aus dem Bereich der Teilchenphysik. Schließlich wird die Suche nach einem passenden Standort fur¨ den Detektor thematisiert. Verschiedene mogliche¨ Standorte werden nach bestimmten Kriterien betrachtet. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der beobachtbaren Himmelsregion und auf der Resthelligkeit des Nachthimmels. Ein moglicher¨ Standort, die Forschungsstation Fowler’s Gap in New South Wales (Australien), wurde fur¨ genauere Untersuchungen besucht, und die Nachthimmelshelligkeit vor Ort wurde mit Hilfe von Messungen charakterisiert. 5 6 Acknowledgements Frequently used software tools and websites This chapter acknowledges the most important software tools used during the work on this thesis. As most of these tools are freeware / open source, I would like to thank all the authors who devote their time and money to the development and distribution of these programmes. • Linux in all its variations • kile for writing LATEX • Gnuplot for plots and figures • xfig for schematics and illustrations • gimp for image file type conversions and image manipulation • python, including the modules given in appendix A.8 • LabView for the hardware control during the NSB measurements • CORSIKA for air shower simulations • sim_telarray for the H.E.S.S. simulations The same is true for the many websites and forums that helped me so often with technical problems. An exhaustive collection is obviously impossible, so let me mention only the most frequently used: • www.dict.cc and dict.leo.org for help with my English • www.wikipedia.org for knowing an answer to (almost) everything • www.google.de for finding answers to everything else • adsabs.harvard.edu for its fantastic paper database • arxiv.org for bringing us a long way towards Open Access of scientific information Financial support I would like to acknowledge the financial support the German Federal Ministry of Education and Research, BMBF (contract number 05A08GU1), as well as the German Academic Exchange Service (DAAD) for its support of the field studies in Australia under the “Kurzstipendium fur¨ Doktoranden” scheme. 7 Personal acknowledgements I would like to thank my supervisor Dieter Horns for giving me the opportunity to work on this magnificent project, for the freedom to pursue the project my way and for giving me all support a PhD student could possibly dream of to develop my own scientific standing. A special thanks goes to my unshakable project coordinator and office mate Martin Tluczykont, who was an inspiring teacher and fantastic partner in our joint