Studies of the performance of an IACT system for the TAIGA array : Studien über die Leistungsfähigkeit eines IACT-Systems für das TAIGA Array

The gamma rays emitted by cosmic accelerators are the most important messenger for astrophysics at the highest energies, and the Cherenkov radiation from the cascades they cause in Earth's atmosphere is a reliable way to detect them. One of the newest experiments for such earth-bound observation is the TAIGA experiment. This thesis investigates the performance of a possible air Cherenkov telescope system for the TAIGA experiment. The main principle of the TAIGA experiment is a combination between imaging air Cherenkov telescopes and Cherenkov shower front sampling stations. The point spread function of the intended telescope design has been determined with the Monte Carlo (MC)method and compared to a semi-analytic prediction. The mirror tiles to be installed into the prototype telescope at the TAIGA site have been characterized and an estimate of mirror alignment precision is given. The effective area of a single telescope, as well as of a 3-by-3 telescope array, were calculated and a method to reconstruct the shower energy from the image size is presented. In addition, the gamma hadron separation power of the telescopes in this setup via the "scaled image width" method has been determined using numerical simulations. It has been noticed that for core distances above 300 m the perceived image width stays constant. This effect is subsequently called the "Tur Tur" effect and been found to be a consequence of an increase of the average off-axis distance of the Cherenkov photon emission point for larger observation core distance. As an additional parameter, the possible influence of the earth's magnetic field on the image width has been studied. The impact of the pixel size of the camera on the image width has been studied using Monte Carlo simulations and a method of time-saving simulations for larger pixels exploiting the results for smaller has been developed. It has to be noted, however, that this method has been deemed deficient as the rejection of incomplete pixels lead to partial rejection of the actual shower image, which in turn distorted the image width. The influence of the pixel size on the gamma-hadron separation factorand image width has been investigated using a semi-analytical 3D model of the shower which was originally developed for the HESS experiment. The study showed that the image width is almost independent of pixel size, while the quality factor favouring large pixels with a field of view larger than 0.5° per pixel. The limitations of the underlying 3D model have been examined, it has been shown that the model overestimates the image width at small (<50 m) core distances and strongly underestimates it at distances larger than 150 m. Further investigation of this issue leads to the conclusion that this behaviour is due to the model not incorporating the Tur Tur effect. Finally, the 3D model was used at a core distance of 100m to show that, in principle, it should be possible to detect PeV showers with commercially available 50mm CMOS cameras as the shower can produce a suffcient signal-to-noise ratio.

Die Gammastrahlung, die von kosmischen Beschleunigern ausgesendet wird, ist der wichtigste Bote in der Astrophysik der höchsten Energien. Die Gammaphotonen, aber auch der hadronische Hintergrund, verursachen Kaskaden, wenn sie auf die Atmosphäre der Erde treffen, und die Cherenkov-Strahlung, die in den Kaskaden entsteht, ist ein zuverlässiger Weg, diese ursprünglichen Teilchen zu detektieren. Eines der neuesten solcher Cherenkov-Experimente ist das TAIGA-Experiment. In dieser Arbeit wird die Leistungsfähigkeit eines geplanten abbildenden Luftschauer-Cherenkov-Teleskopsystems als Teil des TAIGA-Experimentes untersucht. Das Hauptprinzip des TAIGA-Experimentes beruht auf der Kombination von abbildenden Luftschauer-Cherenkov-Teleskopen mit einem Array aus Stationen, die das Cherenkov-Schauerfront-Zeitprofil aufzeichnen. Die Punktabbildungsfunktion des geplanten Teleskopdesigns wurde mit der Monte-Carlo-Methode bestimmt und mit einer semi-analytischen Vorhersage verglichen. Die Spiegelfacetten, die in den Prototypen auf dem TAIGA-Gelände eingebaut werden, wurden auf ihre Eigenschaften hin vermessen und eine Abschätzung der Spiegel-Ausrichtungs-Genauigkeit wird gegeben. Die effektive Fläche sowohl eines Einzelteleskopes als auch eines drei-mal-drei Teleskop-Arrays wurden berechnet und eine Methode, die Schauerenergie aus der Gesamtamplitude des Schauerbildes zu rekonstruieren, wird präsentiert. Außerdem wird die Fähigkeit des Teleskope untersucht, mithilfe der Methode der skalierten Breite Gamma-induzierte Schauer vom Proton-induzierten Hintergrund zu unterscheiden. Hierbei wurde festgestellt, dass die gemessene Bildbreite bei Kernortabständen von über 300m konstant bleibt. Dieser Effekt wird im Folgenden als "Tur Tur Effekt" bezeichnet und hat seinen Ursprung in einem Anstieg des durchschnittlichen Abstandes zwischen Schauerachse und Emissionspunkt der Cherenkovphotonen bei Erhöhung des Kernortabstandes. Zusätzlich wurde auch noch die Abhängigkeit der Schauerbildbreite von der Ausrichtung zum Erdmagnetfeld untersucht. Mit Hilfe der Monte-Carlo-Simulationen sollte der Einfluss der Pixelgröße auf die Bildbreite begutachtet werden. Hierzu wurde ein Zeit sparendes Verfahren entwickelt, das die Ergebnisse der feinpixeligen Simulationen aufsummiert, um Aussagen über große Pixel zu gewinnen. Allerdings wurde festgestellt, dass diese Methode mangelhaft ist, da die Verwerfung von unvollständigen Pixeln zu einer teilweisen Verwerfung des tatsächlichen Schauerbildes geführt hat, was wiederum die Bildbreite verzerrt hat. Um dennoch den Einfluss der Pixelgröße auf Bildbreite und Gamma-Hadron-Separations-Faktor zu untersuchen, wurde ein semi-analytisches Modell verwendet, das ursprünglich zur Rekonstruktion von Schauerbildern des HESS-Experimentes entwickelt wurde. Die Studie zeigt, dass die Bildbreite nahezu unabhängig von der Pixelgröße ist und der Separationsfaktor bei Pixeldurchmessern von über 0.5° am besten ist. Die Grenzen des 3D-Modells wurden ebenfalls untersucht, es wurde gezeigt, dass das Model bei kleinen Kernortabständen (<50 m) die Bildbreite überschätzt, während bei größeren Kernortabständen (>150 m) die Bildbreite drastisch unterschätzt wird. Diese Unterschätzung ist auf das Fehlen einer Modellierung des Tur-Tur-Effektes zurückzuführen. Schlussendlich wurde das 3D-Modell mit einem Kernortabstand von 100m dafür verwendet, zu zeigen, dass es prinzipiell möglich ist, mit einer Handelsüblichen CMOS Kamera Luftschauer im Energiebereich der PeV nachzuweisen. Die Schauer sind hell genug, um ein hinreichend großes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erzeugen.