The energy spectrum of very high energy gamma rays from the Crab Nebula as measured by the H.E.S.S. array

Abstract

Das Thema dieser Arbeit ist die fuer das HEGRA Experiment entwickelte Rekonstruktions-Algoritmen, die Geometry und Energie von hochenergetischen kosmischen Gamma-Strahlen zu rekonstruieren, in die H.E.S.S. software Umgebung zu implementieren und das nicht-gepulste Energie-Spektrum des Krebsnebels zwischen Energien von 300 GeV und 20 TeV zu bestimmen. Dafuer wurden die ersten stereoskopischen Daten von Oktober und November 2003 mit einer 3 Teleskope-Konfiguration des H.E.S.S. Systems der Phase-I verwendet. Die Phase-I des H.E.S.S. Systems wurde im Dezember 2003 fertiggestellt, nachdem das vierte Teleskop in Betrieb genommen wurde. Die Rekonstruktionsalgorithmen wurden mit Monte Carlo Simulationen fuer die vollstaendige Phase-I des Teleskop-Systems getestet. Die Aufloesung fuer die rekonstruierte Richtung und Energie der einzelnen gamma-Ereignisse sind 0.15 Grad und 14 Prozent bei 45 Grad Zenitwinkel. Die Daten des Krebsnebels, die eine Wobble-Versetzung von +-0.5 Grad and +-1.0 Grad haben und die im Zenitwinkel-Bereich von 45 Grad bis 50 Grad fuer 4 Stunden beobachtet wurden, geben ein Signal von 50 Standardabweichungen. Das differentielle Energiespektrum des Krebsnebels zwischen 450 GeV und 20 TeV nach den Schnitten ist (dN / dE) = (3.37+-0.47)*10^{-11}*E^{-2.59+-0.12} cm^{-2} s^{-1} TeV^{-1}. Der integrierte Fluss oberhalb 1 TeV ist (2.11+-0.29)*10^{-11} cm^{-2} s^{-1}. Diese Resultate sind konsistent mit Messungen anderer Experimente, speziell von HEGRA und Whipple. Die Resultate stimmen mit den Erwartungen der synchroton self-Compton Modelle fuer den TeV Emissionbereich ueberein. Das magnetische Feld in der Region, wo die TeV gamma-Strahlen vermutlich entstehen, wird zu 0.18+-0.01 mG bestimmt. Die Resultate dieser Arbeit zeigen die Leistungsfaehigkeit des H.E.S.S. Teleskop-Systems.

The goal of this thesis is to implement the methods developed for the HEGRA experiment to reconstruct the geometry and energy of the air-showers induced by the cosmic high-energy gamma rays into the software environment of the H.E.S.S. experiment. Furthermore, using the implemented algorithms, a search for the unpulsed emission is aimed in the energy range between 300 GeV and 20 TeV from the Crab Nebula using the first stereoscopic data taken during October and November 2003 with the 3 telescope configuration of the H.E.S.S. array in Phase-I. The Phase-I of the H.E.S.S. array was completed in December 2003 by the addition of the fourth telescope. By testing the reconstruction algorithms of a complete Phase-I H.E.S.S. array with Monte Carlo simulations, it is found that the resolution of the reconstructed direction and energy of a gamma-ray event from a zenith angle of 45 degrees is around 0.15 degrees and 14 percent, respectively. The data on the Crab Nebula including runs with wobble offset of +-0.5 degrees and +-1.0 degrees is collected at zenith angles from 45 degrees to 50 degrees for a total of 4 hours and gives a background subtracted signal of about 50 standard deviations. The differential energy spectrum of the unpulsed gamma-ray emission from the Crab Nebula is found to be (dN / dE) = (3.37+-0.47)*10^{-11}*E^{-2.59+-0.12} cm^{-2} s^{-1} TeV^{-1} between 450 GeV and 20 TeV after all cuts. The integral flux above 1 TeV is (2.11+-0.29)*10^{-11} cm^{-2} s^{-1}. These results are consistent with the results published by other experiments, in particular HEGRA and Whipple. The results agree well with the expectation from synchrotron self-Compton models for TeV emission range. The magnetic field in the region, where TeV gamma rays are produced, is found to be 0.18+-0.01 mG. This result agrees with the magnetic field values deduced by the models. The results obtained for the Crab Nebula in this thesis demonstrate the performance of the H.E.S.S. array.