Dieter Horns, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2000
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PACS: 95.55.Ka, 95.55.Vj, 95.85.Pw, 95.85.Ry, 96.40.Pg, 98.54.Cm, 98.58.Ec
In der vorliegenden Arbeit wird die Suche mit den HEGRA-Luft-Cherenkovteleskopen nach Photonen mit Energien oberhalb von 1012 eV (Teraelektronvolt) aus intergalaktischen Kaskaden beschrieben, die von ultra-hochenergetischen Teilchen (E >1020 eV) durch Photoproduktion mit der Mikrowellenhintergrundstrahlung initiiert werden.
Um eine sinnvolle Suchstrategie nach TeV-Photonen aus intergalaktischen Kaskaden entwickeln zu können, sind eigenständige Simulationsprogramme erstellt worden, die zum einen die vollständige (zeitliche und räumliche) Entwicklung von elektromagnetischen Kaskaden an den extragalaktischen Strahlungsfeldern nachbilden und zum anderen die zugehörige Transportgleichung numerisch lösen, um die spektrale Entwicklung der Sekundärteilchen für beliebige Injektionsspektren zu verfolgen. Dabei hat sich ergeben, dass die Kaskadenstrahlung für die Winkelauflösung der HEGRA-Teleskope als punktförmige Quelle erscheint, die Ankunftszeit sich über mehrere Jahrhunderte verteilt und das Energiespektrum im TeV-Energiebereich unabhängig von der Form des injizierten Spektrums einem Potenzgesetz der Form dNg/dE ~ E-a mit a = 3*101.5 folgt. Das Energiespektrum wird mit zunehmender Distanz der Quelle zum Beobachtersteiler.
Die analysierten Daten sind üer einen Zeitraum von 17 Beobachtungsstunde aus der Himmelsregion aufgezeichnet worden, aus der der so genannte "Fly's Eye"-Detektor das Luftschauereignis mit der bislang höchsten Energie von 3.2*1020 eV registriert hat.
Ausführliche Luftschauer- und Detektorsimulationen erlauben eine Optimierung der Suchmethoden im Hinblick auf die Eigenschaften der gesuchten Kaskadenstrahlung. Die Suche ergibt keine Hinweise auf die Existenz von TeV-Photonen. Ein in einer vorhergehenden Analyse gefundener Überschuss in den über 2.5 Jahre hinweg mit den HEGRA-Szintillatorfeldern aufgezeichneten Luftschauereignissen aus derselben Himmelsregion konnte nicht bestätigt werden, obwohl die hier erreichte Sensitivität mit der der vorhergehenden Suche vergleichbar ist. Obere Flussgrenzen für verschiedene angenommene Winkelausdehnungen der Quellregion sind berechnet worden.
Ebenfalls ist nach Signaturen für die Existenz von Bose-Einstein-Kondensaten von Photonen gesucht worden, die in der Wechselwirkungsregion eines relativistischen Elektron-Positron-Plasmas mit dem Strahlungsfeld eines Maser entstehen könnten. Die Existenz von Bose-Einstein-Kondensaten aus der Richtung der extragalaktischen TeV-Quelle Markarian 501 ist für die Interpretation des gemessenen TeV-Energiespektrums relevant, weil es die Absorption von TeV-Photonen an den extragalaktischen, infraroten Strahlungsfeldern reduziert. Die Suche nach Signaturen für Bose-Einstein-Kondensate in Luftschauerereignissen aus der Richtung von Markarian 501 ergibt keine Hinweise auf die Existenz von Multi-Photonen-Ereignissen. Für die Analyse ist erstmals die Position des Schauermaximums als Funktion der Energie für photoninduzierte Luftschauer rekonstruiert worden.
Es lässt sich anhand der Daten ausschließen, dass mehr als 25 %(63 %) der gemessenen Photonen Kondensate mit einer Besetzungszahl von 10(2) oder mehr Photonen sind.
The system of HEGRA imaging air Cherenkov telescopes has been employed to search for photons with energies exceeding 1012 eV that are produced in intergalactic cascading processes. The cascades are initiated by ultra high energy particles (E >1020 eV) by inelastic scattering processes on the cosmic microwave background radiation. In order to search effectively for photons produced in intergalactic cascades, new simulation tools have been developed. A complete simulation of temporal and spatial electromagnetic cascades on arbitrary radiation fields has been developed. A second tool allows to solve the transport equations for electromagnetic cascades numerically, without retaining the information of single particles. The derived properties of the cascade radiation include the point like arrival directions for the angular resolution of the HEGRA telescopes, the arrival times are spread out over many centuries and the spectral shape of TeV secondary particles is independent from the injection spectra forming a power law with a power of roughly -1.5. The energy spectra of secondary particles becomes softer with increasing distance to the source.
The analyzed data set has been gathered within 17 hours of observation time with the HEGRA system of imaging air Cherenkov telescopes pointing to the direction from which the most energetic cosmic ray has been detected with an energy of 3.2*1020 eV. Detailed air shower and detector simulations have been carried out to optimize the search methods for the given characteristics of the cascade radiation. No evidence for TeV radiation has been found. An earlier analysis of 2.5 years' data taken with the HEGRA scintillator array showed an excess in the distribution of arrival directions from the same sky region. This excess could not be confirmed with the new observations even though the sensitivity is comparable. Upper limits on the flux for different angular extensions have been calculated.
A second topic of this thesis is the search for the hypothetical existence of Bose-Einstein condensates of photons. A possible production site is within the interaction region of relativistic jets with maser radiation. The existence of Bose-Einstein condensates is one of the key issues for the interpretation of the TeV energy spectrum measured from the extragalactic source Markarian 501. The signatures for the existence of Bose-Einstein condensates have been searched for by analyzing the energy dependent penetration depth of photon induced air showers. No evidence for Bose-Einstein condensates have been found and the relative content can be constrained to be below 25%(63%) for a mean occupation number in the condensate of 10(2) or more photons.