Kurzfassung
Die kürzliche Entdeckung durch das LHAASO-Experiment von Gamma-Strahlenemission im
PeV-Energiebereich weist auf die Existenz galaktischer Quellen hin, die in der Lage
sind, Teilchen auf Multi-PeV-Energien zu beschleunigen. Dies motiviert eine vertiefte
Erforschung von Gamma-Strahlenquellen über 100 TeV hinaus mit Imaging-Air-Cherenkov-
Teleskopen (IACTs). Mit zunehmender Gamma-Strahlenenergie hängt die Sensitivität von
IACTs hauptsächlich von der Sammelfläche Aeff ab. Trotz der Erreichung großer Sam-
melflächen, sogar bis zu 1 km² , liegt die erwartete Photonenzahl oberhalb von 100 TeV
vom Krebsnebel weniger als ein Photon pro 100 Stunden, was die Herausforderungen
bei der Detektion solcher hochenergetischer Phänomene unterstreicht.
Diese Arbeit erforscht die Möglichkeiten der Beobachtung ausgedehnter Luftschauer
(EAS) bei großen Zenitwinkeln (> 70 deg ) mit IACTs, um die Sammelfläche im Vergle-
ich zu Beobachtungen bei moderaten Zenitwinkeln signifikant zu erhöhen. Insbeson-
dere wird die Leistung von H.E.S.S. CT5 untersucht. Die Studie konzentriert sich
auf Beobachtungen bei einem Zenitwinkel von 80 deg , indem Gamma-Strahlen-, Protonen- und
Helium-induzierte Luftschauer unter Verwendung von CORSIKA und sim telarray
simuliert werden. Die abgeleiteten Bildparameter dienen als Input für die Bewertung
der Gamma-Hadron-Trennleistung, der Winkelauflösung und der Energieauflösung bei einem
Zenitwinkel von 80 deg unter Verwendung spezieller Techniken des Random Forest Classifier
und des Random Forest Regressor.
Die Untersuchung zeigt die beeindruckende Leistung von H.E.S.S. CT5 und enthüllt
eine Sammelfläche von Aeff ≥ 5 - 6 km² bei 1 PeV nach Gamma-Hadron-Trennung und Rich-
tungsschnitten, wenn es als eigenständiges Teleskop bei einem Zenitwinkel von 80 deg be-
trieben wird. Es wurde festgestellt, dass H.E.S.S. CT5 einen Qualitätsfaktor Q von der
Größenordnung Q ≥ 5 bei einem Zenitwinkel von 80 deg erreicht. Die Winkelauflösung wird
auf theta_68% = 0.12 deg für Energien > 10 TeV geschätzt und verbessert sich auf theta_68% < 0.1 deg für
Energien > 100 TeV. Darüber hinaus erweist sich die Energieauflösung besser als 18%
bei Energien > 10 TeV.
Monte-Carlo-Simulationen wie CORSIKA weisen einen signifikanten Nachteil in Bezug
auf erhöhte Rechenzeit und Speicherplatz mit steigender Energie der Primärteilchen auf.
Diese Arbeit stellt eine 3,5-dimensionale Simulation ausgedehnter Luftschauer und ihrer
anschließenden Emission von Fluoreszenz- und Cherenkov-Licht vor. Unter Verwendung
von Parametrisierungen für Elektron-Positron-Verteilungen übernimmt das Simulation-
swerkzeug namens EASpy einen neuartigen geometrischen Ansatz zur Bestimmung der
Anzahl der detektierten Photonen durch ein IACT. Dieser Ansatz reduziert die Rechen-
zeit erheblich im Vergleich zu traditionellen ray-tracing Methoden. Darüber hinaus kann EASpy die Reaktion des Detektors simulieren, einschließlich der Abbildung des
simulierten Luftschauers.
The recent discovery by the LHAASO experiment of gamma-ray emission in the PeV en- ergy range indicates the existence of galactic sources capable of accelerating particles to multi-PeV energies, motivating further exploration of gamma-ray sources above 100 TeV with Imaging Air Cherenkov Telescopes (IACTs). With increasing gamma-ray energy, the sensitivity of IACTs mainly depends on the collection area Aeff . Despite achieving large collection areas, even up to 1 km² , the expected photon rate above 100 TeV from the Crab Nebula is less than one photon per 100 hours, highlighting the challenges in detecting such high energy phenomena. This thesis explores the possibilities of observing extensive air showers (EAS) at large zenith angles (> 70 deg ) with IACTs, in order to significantly increase the collection area compared to moderate zenith angle observations. In particular, the performance of H.E.S.S. CT5 is investigated. The study focuses on observations at a zenith angle of 80 deg , simulating gamma-ray, proton, and helium induced air showers using CORSIKA and sim telarray. The derived image parameters serve as inputs for evaluating the gamma- hadron separation power, angular resolution, and energy resolution at a zenith angle of 80 deg using dedicated Random Forest Classifier and Random Forest Regressor techniques. The investigation showcases the impressive performance of H.E.S.S. CT5, revealing an collection area of Aeff ≥ 5 - 6 km² at 1 PeV after gamma-hadron separation and direction cuts when operating as a stand-alone telescope at a zenith angle of 80 deg. It was found that H.E.S.S. CT5 achieves a quality factor Q on the order of Q ≥ 5 at a zenith angle of 80 deg. The angular resolution is estimated at theta_68% = 0.12 deg for energies > 10 TeV, improving to theta_68% < 0.1 deg for energies > 100 TeV. Moreover, the energy resolution proves to be better than 18% at energies > 10 TeV. Monte Carlo simulations, such as CORSIKA, present a notable drawback in terms of increased computation time and storage size as the primary particle energy increases. This thesis introduces a 3.5-dimensional simulation of extended air showers and their subsequent emission of fluorescence and Cherenkov light. Utilizing parametrizations for electron-positron distributions, the simulation tool, termed EASpy, adopts a novel geometrical approach to determine the number of detected photons by an IACT. This approach significantly reduces computation time compared to traditional ray-tracing methods. Furthermore, EASpy can simulate the detector response, including the imaging of the simulated air shower.