Des modèles spécifiques de gravitation quantique suggèrent l’existence d’une Violation de l’Invariance de Lorentz (LIV en anglais) à l’échelle de Planck. Une des signatures de cette violation est la modification de la propagation des photons dans le vide, induisant des décalages temporels dépendant de l’énergie des photons observés sur Terre. De tels décalages dans le temps d’arrivée de rayons γ sont recherchés avec l’expérience H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System), grâce aux émissions de très hautes énergies en provenance de sources lointaines telles que les blazars. Néanmoins, l’origine du décalage temporel doit être comprise en détails. En effet, un décalage intrinsèque à la source pourrait venir biaiser les contraintes sur les modèles de gravitation quantique. Cette thèse propose dans un premier temps de s’intéresser à la modélisation temporelle des éruptions de blazars, pour étudier les possibles décalages intrinsèques liés aux processus d’émissions de ces éruptions. Grâce à l’élaboration d’un modèle simple, cette étude met en relief les différentes caractéristiques de ces décalages intrinsèques sur les scénarios d’éruptions de blazar afin d’essayer de les distinguer des décalages potentiellement dus à un effet de LIV et aussi de proposer de nouvelles contraintes basées sur ces décalages temporels. Dans un deuxième temps, la méthode de recherche de décalages temporels dépendant de l’énergie avec H.E.S.S. est présentée ainsi qu’une application sur l’éruption du blazar Markarian 501 ayant eu lieu en juillet 2014. Cette analyse a permis d’établir la meilleure limite obtenue sur le terme quadratique de la signature de la LIV avec l’utilisation d’éruption de blazars. / Specific models of quantum gravity suggest the existence of a Lorentz Invariance Violation (LIV) at the Planck scale. One signature of that violation is a modification the propagation of photons in vacuum which induces energy dependent delays in the arrival time of photons on Earth. The H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) experiment can search for such delays in the arrival time of gamma rays, thanks to the very high energy emission coming from distant blazars. However, the time delay origin have to be fully understood. Indeed, an intrinsic time delay coming from the source can bias the constraints made on quantum gravity models. In the first part of this thesis, a time dependent blazar flare model is considered to search for the presence of intrinsic time delays related to the emission mechanisms of flares. With the elaboration of a simple scenario, this study highlights the different characteristics of intrinsic time delays in order to investigate how to disentangle them from delays due to LIV as well as to provide new constraints on blazar modeling. In the second part of this thesis, the method used to search for LIV signatures in blazar light curves at very high energy is presented as well as an application to the flare of Markarian 501 which occurred in July 2014. This analysis provides in particular the best upper limit on the quadratic term of LIV signature.

Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Charakterisierung extrem starker Quellen, die höchstwahrscheinlich die kosmische Strahlung beschleunigen. In dieser Arbeit wurden VHE-Gammastrahlenbeobachtungen mit den MAGIC-Teleskopen verwendet, um die Eigenschaften von Blazaren zu untersuchen. Um die Mechanismen zu untersuchen, die zur Breitbandemission von Blazaren führen, wird ein stationärer lepto-hadronischer Code unter Verwendung eines einfachen semianalytischen Frameworks entwickelt. Daher implementiert der Code neben den leptonischen Wechselwirkungen auch die relevanten hadronischen Wechselwirkungskanäle: Protonensynchrotronstrahlung, Photo-Meson-Wechselwirkungen, Proton-Proton-Wechselwirkungen und Paarkaskaden. Die Dissertation präsentiert die Ergebnisse derMAGIC- und Multiwellenlängen-Monitoring-Kampagne des Blazars 1ES 1959 + 650 im Jahr 2016. Im Jahr 2016 durchlief die Quelle eine äußerst aktive Phase und zeigte am 13. Juni, 14. Juni und 1. Juli 2016 drei bemerkenswert helle VHE-Gammastrahlenfackeln. Um die Breitbandspektren der Quelle während der bemerkenswerten Fackelaktivitäten zu untersuchen, wurden drei verschiedene theoretische Modelle übernommen: leptonisch, hadronisch und gemischt lepto-hadronisch. Sowohl das hadronische als auch das gemischte leptohadronische Modell ergaben während der intensiven Aktivitätsperiode Neutrinoflüsse, die unter der Empfindlichkeit der gegenwärtigen Generation von Neutrinoteleskopen liegen. Die Beobachtung eines hochenergetischen Neutrinos durch IceCube im räumlichen und zeitlichen Zusammentreffen mit einem aufflammenden Blazar mit dem Namen TXS 0506 + 056 ergab 2017 erstmals Hinweise auf Identifizierung einer extragalaktischen kosmischen Strahlenquelle. Die Modellierung der elektromagnetischen Daten und des vorhergesagten Neutrinoflusses impliziert, dass die Quelle tatsächlich ein potenzieller Neutrinostrahler und damit ein Beschleuniger für energiereiche kosmische Strahlen sein könnte. / The main aim of this thesis is to characterize extremely powerful sources that are most likely accelerating cosmic rays. Cosmic-ray sources are also believed to produce photons and neutrinos that act as direct tracers of their sources of origin. In this thesis VHE gamma-ray observations by the MAGIC telescopes were used to study the properties of blazars. To investigate the mechanisms giving rise to the broadband emission from blazars, a stationary lepto-hadronic code is developed using a simple semi-analytical framework. Hence along with the leptonic interactions, the code also implements the relevant hadronic interaction channels: proton synchrotron radiation, photo-meson interactions, proton-proton interactions and pair cascades. The thesis presents the results from theMAGIC and multi-wavelength monitoring campaign of the blazar 1ES 1959+650 during 2016. In 2016 the source underwent into an extremely active phase and exhibited three remarkably bright VHE gamma-ray flares on 13th June, 14th June and 1st July of 2016. On two of these nights, signs of rapid flux variability within sub-hour timescales was clearly resolved by the MAGIC observations. In order to investigate the broadband spectra of the source during the remarkable flaring activities, three different theoretical models were adopted: leptonic, hadronic and mixed lepto-hadronic. Both the hadronic and mixed leptohadronic models yielded neutrino fluxes during the intense activity period, that falls below the sensitivity of the current generation of neutrino telescopes. In 2017, the observation of a high-energy neutrino by IceCube in spatial and temporal coincidence with a flaring blazar named TXS 0506+056 yielded for the first time, hints towards identification of an extragalactic cosmic-ray source. The modelling of the electromagnetic data and the predicted neutrino flux implies that the source could indeed be a potential neutrino emitter and hence an accelerator of high-energy cosmic rays.

Treatment verification is demanded to mitigate the range uncertainties in proton therapy and, hence, to enhance treatment precision and outcomes. As a non-invasive approach for range verification, the prompt γ-ray timing (PGT) measures the time distribution of the promptly produced γ-rays using fast uncollimated scintillation detectors. However, the measured time spectra of the prompt γ-rays (PGs) are sensitive to phase instabilities between the accelerator radiofrequency (RF) used as the reference time and the actual arrival time of the therapeutic particles at the patient and require online monitoring of the arrival time of the proton bunches. Within this thesis, the development of a PGT system including an appropriate proton bunch monitor (PBM) for range verification in proton therapy was studied. In the first part of the work, two PBM options were explored and characterized under near-to-clinical beam conditions to find a suitable PBM satisfying the prerequisites and constraints for the application in the PGT-based range verification. The selected PBM prototype comprises scintillating fibers read out on both ends with silicon photomultipliers (SiPMs). By placing the PBM at the beam halo, sufficient counting statistics and processable trigger rates could be achieved for the monitoring of the proton bunch periodicity with reasonable statistical precision, while minimizing the interference to the clinical beam delivery. In the second part of the work, a proof-of-principle experiment of the PGT-based range verification with a heterogeneous target was performed together with online monitoring of the proton bunch instabilities. The sensitivity and the overall uncertainty of the PGT technique were evaluated for two proton energies, different thicknesses of air cavity inserts, various tissue-equivalent material inserts, different selections of the PG energy window, and other PGT parameters. The experimental results confirmed that real-time monitoring of the proton range during treatment using the PGT technique is feasible with millimeter precision and submillimeter accuracy at close-to-clinical beam currents and clinically relevant proton energies. The integration of the PBM to the PGT-based range verification marks another important step toward the clinical application of the PGT technique for in vivo verification and qualitative assessment of the proton range during treatment.:List of figures List of tables List of abbreviations 1. Introduction 2. Background 2.1. Uncertainties in proton therapy 2.2. Treatment verification in proton therapy 2.3. Prompt γ-ray timing (PGT) 2.3.1. PGT principle 2.3.2. PGT detection system 2.3.3. Time instabilities in the PGT-based range verification 2.4. Aim of the work 3. Development of a proton bunch monitor 3.1. The IBA Proteus 235 System at OncoRay 3.2. General requirements 3.3. Coincidence detection of scattered protons 3.3.1. Detection principle 3.3.2. Motivation 3.3.3. Characterization and performance of the detector 3.4. Scintillating fiber detector 3.4.1. Detection principle 3.4.2. Motivation 3.4.3. Characterization of a single-sided PMT readout fiber 3.4.4. Characterization of a double-sided PMT readout fiber 3.4.5. Characterization of a double-sided SiPM readout fiber 3.5. Comparison of the two proton bunch monitors 3.6. Summary 4. PGT proof-of-principle with the proton bunch monitor 4.1. Materials and methods 4.1.1. Experimental setup 4.1.2. Measurement program 4.1.3. Data analysis 4.1.4. Evaluation of PGT spectra 4.2. Results 4.2.1. Characteristics of PGT spectra 4.2.2. Relative proton range verification 4.3. Discussion and conclusion 4.4. Summary 5. General discussion 5.1. Time instabilities 5.2. Toward clinical translation of the PGT technique 5.3. Conclusion 6. Summary / Zusammenfassung 6.1. Summary 6.2. Zusammenfassung Bibliography / Die Verifikation der Behandlung ist erforderlich, um die Reichweiteunsicherheiten in der Protonentherapie zu verringern und damit die Behandlungspräzision und die Behandlungsergebnisse zu verbessern. Das Prompt-γ-Ray-Timing (PGT) ist eine nicht-invasive Methode zur Reichweitenverifizierung, bei der die Zeitverteilung der prompt erzeugten γ-Strahlung mit schnellen, nicht-kollimierten Szintillationsdetektoren detektiert wird. Die gemessenen Zeitspektren der prompten γ-Strahlung (PGs) sind jedoch empfindlich gegenüber Phaseninstabilitäten zwischen der als Referenzzeit verwendeten Radiofrequenz (RF) des Beschleunigers und der tatsächlichen Ankunftszeit der therapeutischen Teilchen am Patienten und erfordern eine Online-Überwachung der Ankunftszeit der Protonenmikropulse. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Entwicklung eines PGT-Systems einschließlich eines geeigneten Proton-Bunch-Monitors (PBMs) für die Reichweitenverifikation in der Protonentherapie untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wurden zwei PBM-Optionen untersucht und unter kliniknahen Strahlbedingungen charakterisiert, um einen PBM, der die Voraussetzungen und Einschränkungen für die Anwendung in der PGT-basierten Reichweitenverifikation erfüllt, auszuwählen. Der ausgewählte PBM-Prototyp besteht aus szintillierenden Fasern, die an beiden Enden mit Silizium-Photomultipliern (SiPMs) ausgelesen werden. Durch die Platzierung des PBMs im Strahlhalo konnten ausreichende Zählstatistiken und verarbeitbare Triggerraten für die Überwachung der Periodizität der Protonenmikropulse mit einer angemessenen statistischen Genauigkeit erreicht werden, während gleichzeitig die Beeinträchtigung der klinischen Strahlapplikation minimiert wird. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der experimentelle Machbarkeitsnachweis für die PGT-basierte Reichweitenverifikation in einem heterogenen Target zusammen mit der Online-Überwachung der Instabilitäten der Protonenmikropulse erbracht. Die Empfindlichkeit und die Gesamtunsicherheit der PGT-Technik wurden für zwei Protonenenergien, unterschiedliche Dicken der Lufthohlraumeinsätze, verschiedene gewebeäquivalente Materialeinsätze, andere Auswahlen der PG-Energiefenster und weitere PGT-Parameter quantifiziert. Die experimentellen Ergebnisse bestätigten, dass die Echtzeitüberwachung der Protonenreichweite während der Behandlung mit Hilfe der PGT-Technik mit Millimeterpräzision und Submillimetergenauigkeit bei kliniknahen Strahlströmen und klinisch relevanten Protonenenergien möglich ist. Die Integration des PBMs in die PGT-basierten Reichweitenverifizierung ist ein weiterer wichtiger Schritt auf dem Weg zur klinischen Anwendung der PGT-Technik für die In-vivo-Reichweitenüberprüfung und die qualitative Bewertung der Protonenreichweite während der Behandlung.:List of figures List of tables List of abbreviations 1. Introduction 2. Background 2.1. Uncertainties in proton therapy 2.2. Treatment verification in proton therapy 2.3. Prompt γ-ray timing (PGT) 2.3.1. PGT principle 2.3.2. PGT detection system 2.3.3. Time instabilities in the PGT-based range verification 2.4. Aim of the work 3. Development of a proton bunch monitor 3.1. The IBA Proteus 235 System at OncoRay 3.2. General requirements 3.3. Coincidence detection of scattered protons 3.3.1. Detection principle 3.3.2. Motivation 3.3.3. Characterization and performance of the detector 3.4. Scintillating fiber detector 3.4.1. Detection principle 3.4.2. Motivation 3.4.3. Characterization of a single-sided PMT readout fiber 3.4.4. Characterization of a double-sided PMT readout fiber 3.4.5. Characterization of a double-sided SiPM readout fiber 3.5. Comparison of the two proton bunch monitors 3.6. Summary 4. PGT proof-of-principle with the proton bunch monitor 4.1. Materials and methods 4.1.1. Experimental setup 4.1.2. Measurement program 4.1.3. Data analysis 4.1.4. Evaluation of PGT spectra 4.2. Results 4.2.1. Characteristics of PGT spectra 4.2.2. Relative proton range verification 4.3. Discussion and conclusion 4.4. Summary 5. General discussion 5.1. Time instabilities 5.2. Toward clinical translation of the PGT technique 5.3. Conclusion 6. Summary / Zusammenfassung 6.1. Summary 6.2. Zusammenfassung Bibliography

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[ES] La tomografía por emisión de positrones (PET, del inglés Positron Emission Tomography) es una técnica de medicina nuclear en la que se genera una imagen a partir de la detección de rayos gamma en coincidencia. Estos rayos son producidos dentro de un paciente al que se le inyecta una radiotrazador emisor de positrones, los cuales se aniquilan con electrones del medio circundante. El proceso de adquisición de eventos de interacción, tiene como unidad central el detector del escáner PET, el cual se compone a su vez de un cristal de centelleo, encargado de transformar los rayos gamma incidentes en fotones ópticos dentro del cristal. La finalidad es entonces, determinar las coordenadas de impacto dentro del cristal de centelleo con la mayor precisión posible, para que, a partir de dichos puntos, se pueda reconstruir una imagen. A lo largo de la historia, los detectores basados en cristales pixelados han representado la elección por excelencia para la la fabricación de escáneres PET. En está tesis se evalúa el impacto en la resolución espacial del escáner PET MINDView, desarrollado dentro del séptimo programa Marco de la Unión Europea No 603002, el cual se basa en el uso de cristales monolíticos. El uso de cristales monolíticos, facilita la determinación de la profundidad de interacción (DOI - del inglés Depth Of Interaction) de los rayos gamma incidentes, aumenta la precisión en las coordenadas de impacto determinadas, y disminuye el error de paralaje que se induce en cristales pixelados, debido a la dificultad para determinar la DOI. En esta tesis, hemos logrado dos objetivos principales relacionados con la medición de la resolución espacial del escáner MINDView: la adaptación del un algoritmo de STIR de Retroproyección Filtrada en 3D (FBP3DRP - del inglés Filtered BackProjection 3D Reproyected) a un escáner basado en cristales monolíticos y la implementación de un algoritmo de Retroproyección y filtrado a posteriori (BPF - BackProjection then Filtered). Respecto a la adaptación del algoritmo FBP, las resoluciones espaciales obtenidas varían en los intervalos [2 mm, 3,4 mm], [2,3 mm, 3,3 mm] y [2,2 mm, 2,3 mm] para las direcciones radial, tangencial y axial, respectivamente, en el primer prototipo del escáner MINDView dedicado a cerebro. Por otra parte, en la implementación del algoritmo de tipo BPF, se realizó una adquisición de un maniquí de derenzo y se comparó la resolución obtenida con el algoritmo de FBP y una implementación del algoritmo de subconjuntos ordenados en modo lista (LMOS - del inglés List Mode Ordered Subset). Mediante el algoritmo de tipo BPF se obtuvieron valores pico-valle de 2.4 a lo largo de los cilindros del maniquí de 1.6 mm de diámetro, en contraste con las medidas obtenidas de 1.34 y 1.44 para los algoritmos de FBP3DRP y LMOS, respectivamente. Lo anterior se traduce en que, mediante el algoritmo de tipo BPF, se logra mejorar la resolución para obtenerse un valor promedio 1.6 mm. / [CAT] La tomografia per emissió de positrons és una tècnica de medicina nuclear en la qual es genera una imatge a partir de la detecció de raigs gamma en coincidència. Aquests raigs són produïts dins d'un pacient a què se li injecta una radiotraçador emissor de positrons, els quals s'aniquilen amb electrons de l'medi circumdant. El procés de adquición d'esdeveniments d'interacció, té com a unitat central el detector de l'escàner PET, el qual es compon al seu torn d'un vidre de centelleig, encarregat de transformar els raigs gamma incidents en fotons òptics dins el vidre. La finalitat és llavors, determinar les coordenades d'impacte dins el vidre de centelleig amb la major precisió possible, perquè, a partir d'aquests punts, es pugui reconstruir una imatge. Al llarg de la història, els detectors basats en cristalls pixelats han representat l'elecció per excellència per a la la fabricació d'escàners PET. En aquesta tesi s'avalua l'impacte en la resolució espacial de l'escàner PET MINDView, desenvolupat dins el setè programa Marc de la Unió Europea No 603.002, el qual es basa en l'ús de vidres monolítics. L'ús de vidres monolítics, facilita la determinació de la profunditat d'interacció dels raigs gamma incidents, augmenta la precisió en les coordenades d'impacte determinades, i disminueix l'error de parallaxi que s'indueix en cristalls pixelats, a causa de la dificultat per determinar la DOI. En aquesta tesi, hem aconseguit dos objectius principals relacionats amb el mesurament de la resolució espacial de l'escàner MINDView: l'adaptació de l'un algoritme de STIR de Retroprojecció Filtrada en 3D a un escàner basat en cristalls monolítics i la implementació d'un algoritme de Retroprojecció i filtrat a posteriori. Pel que fa a l'adaptació de l'algoritme FBP3DRP, les resolucions espacials obtingudes varien en els intervals [2 mm, 3,4 mm], [2,3 mm, 3,3 mm] i [2,2 mm, 2,3 mm] per les direccions radial, tangencial i axial, respectivament, en el primer prototip de l'escàner MINDView dedicat a cervell. D'altra banda, en la implementació de l'algoritme de tipus BPF, es va realitzar una adquisició d'un maniquí de derenzo i es va comparar la resolució obtinguda amb l'algorisme de FBP3DRP i una implementació de l'algoritme de subconjunts ordenats en mode llista (LMOS - de l'anglès List Mode Ordered Subset). Mitjançant l'algoritme de tipus BPF es van obtenir valors pic-vall de 2.4 al llarg dels cilindres de l'maniquí de 1.6 mm de diàmetre, en contrast amb les mesures obtingudes de 1.34 i 1.44 per als algoritmes de FBP3DRP i LMOS, respectivament. L'anterior es tradueix en que, mitjançant l'algoritme de tipus BPF, s'aconsegueix millorar la resolució per obtenir-se un valor mitjà 1.6 mm. / [EN] Positron Emission Tomography (PET) is a medical imaging technique, in which an image is generated from the detection of gamma rays in coincidence. These rays are produced within a patient, who is injected with a positron emmiter radiotracer, from which positrons are annihilated with electrons in the media. The event acquisition process is focused on the scanner detector. The detector is in turn composed of a scintillation crystal, which transform the incident ray gamma into optical photons within the crystal. The purpose is then to determine the impact coordinates within the scintillation crystal with the greatest possible precision, so that, from these points, an image can be reconstructed. Throughout history, detectors based on pixelated crystals have represented the quintessential choice for PET scanners manufacture. This thesis evaluates the impact on the spatial resolution of the MINDView PET scanner, developed in the seventh Framework program of the European Union No. 603002, which detectors are based on monolithic crystals. The use of monolithic crystals facilitates the determination of the depth of interaction (DOI - Depth Of Interaction) of the incident gamma rays, increases the precision in the determined impact coordinates, and reduces the parallax error induces in pixelated crystals, due to the difficulties in determining DOI. In this thesis, we have achieved two main goals related to the measurement of the spatial resolution of the MINDView PET scanner: the adaptation of an STIR algorithm for Filtered BackProjection 3D Reproyected (FBP3DRP) to a scanner based on monolithic crystals, and the implementation of a BackProjection then Filtered algorithm (BPF). Regarding the FBP algorithm adaptation, we achieved resolutions ranging in the intervals [2 mm, 3.4 mm], [2.3 mm, 3.3 mm] and [2.2 mm, 2.3 mm] for the radial, tangential and axial directions, respectively. On the an acquisition of a derenzo phantom was performed to measure the spacial resolution, which was obtained using three reconstruction algorithms: the BPF-type algorithm, the FBP3DRP algorithm and an implementation of the list-mode ordered subsets algorithm (LMOS). Regarding the BPF-type algorithm, a peak-to-valley value of 2.4 were obtain along rod of 1.6 mm, in contrast to the measurements of 1.34 and 1.44 obtained for the FBP3DRP and LMOS algorithms, respectively. This means that, by means of the BPF-type algorithm, it is possible to improve the resolution to obtain an average value of 1.6 mm. / Sánchez Góez, S. (2020). Algoritmo de reconstrucción analítico para el escáner basado en cristales monolíticos MINDView [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159259

[pt] Em 2013, o IceCube Neutrino Observatory, localizado no Polo Sul, descobriu um fluxo de neutrinos astrofísicos com energias de PeV. Mais tarde, descobriu-se que este fluxo se estendia até pelo menos aproximadamente 10 TeV. Apesar de muitos esforços desde então, determinar as suas fontes permanece sendo um dos maiores desafios na comunidade de astrofísica. Nesta dissertação, investigamos possíveis fontes através de uma abordagem multimensageira bem motivada. Em qualquer mecanismo para a produção de neutrinos cósmicos, obrigatoriamente há produção simultânea de raios gama com energias comparáveis. Ao contrário de neutrinos, que atravessam o Universo ilesos, raios gama de altas energias sofrem interações com fótons de fundo em um processo de degradação de energia conhecido como cascata eletromagnética. Na Terra, eles contituem o fundo extragalático de raios gama difuso (EGB), medido com precisão pelo Fermi Gamma-ray Space Telescope entre GeV–TeV. Realizando uma análise conservativa, quantitativa e multimensageira, encontra-se uma tensão de maior ou aproximadamente 3delta (possivelmente chegando a aproximdamente 5 delta) entre os dados do IceCube e do EGB, apontando para a exitência de uma nova classe de aceleradores cósmicos de alta energia, como, por exemplo, fontes opacas para raios gama. / [en] In 2013, the IceCube Neutrino Observatory, located at the South Pole, discovered a flux of astrophysical neutrinos with PeV energies, later found to extend down to at least approximately 10 TeV. Despite many efforts since then, determining their sources remains one of the most daunting challenges in the astrophysics community. In this dissertation, we investigate possible sources via a well-motivated multimessenger approach. In any production mechanism of cosmic neutrinos, there must also be a simultaneous production of gamma-rays withcomparable energies. Unlike neutrinos, which travel unscathed throughout the Universe, high energy gamma-rays undergo interactions with background photons in an energy-degrading process known as electromagnetic cascade. At the Earth, they constitute the diffuse extragalactic gamma-ray background (EGB), precisely measured by the Fermi Gamma-ray Space Telescope in the GeV–TeV range. By performing a conservative, quantitative, multimessenger analysis, we find greater than a or approximately to 3 delta (possibly as large as approximately 5 delta) tension between IceCube and EGB data, pointing towards the existence of a new class of high energy cosmic accelerators, such as gamma-ray-opaque sources.

La nécessité de prouver l’existence de nouvelles particules comme les quarks et le boson de Higgs a entrainé le développement de deux nouveaux pans de la recherche : la physique des hautes énergies ou physique des particules, dédiée à prouver expérimentalement l'existence de ces particules puis à étudier leurs propriétés et la physique des accélérateurs, dédiée au développement de nouveaux instruments pour la physique des hautes énergies.Dans ce contexte, des collisionneurs linéaires électrons/positrons polarisés de forte luminosité dont l'énergie serait connue et accordable pourrait permettre d’étudier plus finement des particules se situant dans des énergies autour du TeV telles que le Boson de Higgs. C'est dans ce sens que le projet International Linear Collider (ILC) est conçu et c'est dans le cadre du développement de ce collisionneur linéaire de particules que cette thèse de doctorat se situe. Un des points critiques de l'ILC est la source de positrons polarisés. Sans entrer dans des explications sur la physique du processus de création de positrons polarisés, nous précisons simplement que ceux-ci sont créés lorsque des rayons gamma polarisés circulairement interagissent avec la matière. Le point critique est donc la source de rayons gamma polarisés circulairement. Une alternative pour cette source est la diffusion Compton inverse et c'est finalement dans le cadre de la recherche et du développement de systèmes lasers de fortes puissances moyennes asservis à des cavités Fabry-Perot pour la production de rayons gamma polarisés par diffusion Compton inverse que se situe cette thèse.Dans un premier temps, nous posons plus précisément le contexte de cette thèse, le principe de la diffusion Compton inverse ainsi que le choix d’une architecture optique basée sur un laser fibré et une cavité Fabry-Perot. Nous finissons sur une énumération des différentes applications possibles de la diffusion Compton inverse montrant que les travaux présentés pourraient bénéficier de transfert technologique vers d’autres domaines. Dans un second temps, nous présentons les différentes architectures d’amplification laser fibrée étudiées ainsi que les résultats obtenus. Dans un troisième temps, nous faisons un rappel du principe de fonctionnement d’une cavité Fabry-Perot et présentons celle utilisée pour notre expérience ainsi que ses spécificités. Dans un quatrième temps, nous abordons l’expérience de diffusion Compton inverse qui nous a permis de présenter pour la première fois à notre connaissance l’utilisation conjointe d’un laser à fibre optique et d’une cavité Fabry-Perot dans le cadre d’un accélérateur de particules pour générer des rayons gamma. Le dispositif expérimental ainsi que les résultats obtenus sont alors présentés. Finalement, nous résumons les résultats présentés dans ce manuscrit et proposons différentes possibilités d’évolution pour le système dans une conclusion générale. / The requirement to prove the existence of news particles like quarks and the Higgs boson has led the development of two news branches for the research: the high energy physics or particle physics, dedicated to experimentally prove the existence of these new particles then to study their properties and the accelerator physics, dedicated to develop particles accelerators for the high energy physic. In this context, polarized electrons/positrons high luminosity linear collider of known and scalable energy might enable more precise studies of particles with energy around the TeV such as the Higgs boson. To that end, the International Linear Collider (ILC) project is being designed and it is in this framework that this PhD thesis takes place. One of the critical points of the ILC is the polarized positrons source. Without going through further explanation on the physical process of polarized positrons production, we point out that they are produced when circularly polarized gamma rays interact with mater. Thus, the critical point is the circularly polarized gamma-ray source. A technical solution for this source is the Compton backscattering and in the end, this thesis takes place in the framework of R&D for high average power laser systems enslaved to Fabry-Perot cavities for polarized gamma-ray production by Compton backscattering. In the first part, we present this thesis context, the Compton backscattering principle and the choice for an optical architecture based on a fiber laser and a Fabry-Perot cavity. We finish by enumerating several possible applications for Compton backscattering which shows that the work presented here might benefits from technology transfer through others research fields. In the second part, we present the different fiber laser architecture studied as well as the results obtained. In the third part, we remind the operating principle of a Fabry-Perot cavity and present the one used for our experiment as well as its specificities. In the fourth part, we address the Compton backscattering experiment which enables us to present the joint utilization of a fiber laser and a Fabry-Perot cavity in a particles accelerator to generate gamma rays for the first time to our knowledge. The experimental apparatus as well as the results obtained are thus presented. In the end, we summarize the results presented in this manuscript and propose different evolution possibilities for the system in a general conclusion.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Aspekten der Gammastrahlungsastronomie. Einerseits studiert sie die Anforderungen an das zukünftige CTA-Observatorium für Gammastrahlung und präsentiert insbesondere Abschätzungen der Datenmengen, die während des Betriebs des Observatoriums anfallen werden. Für das größere CTA-Teleskopfeld auf der Südhalbkugel werden demnach eine Triggerate von 13 kHz und Datenraten von bis zu 2500 MB/s erwartet. Unter der Annahme, dass 15% der Zeit für Beobachtungen genutzt werden können, ergibt sich in 15 Jahren ein Datenvolumen von bis zu 165 PB. Die Implementation eines entsprechenden Systems zur Datenerfassung und -speicherung stellt eine Herausforderung dar, die jedoch mit existierenden Technik bewältigt werden kann. Andererseits befasst sie sich mit dem Supernovaüberrest RX J0852.0-4622 (auch bekannt als Vela Junior), präsentiert die Ergebnisse einer Analyse von Daten, die mit dem H.E.S.S.-Experiment genommen wurden, und geht der Frage nach, ob RX J0852.0-4622 ein kosmischer Teilchenbeschleuniger ist. Dabei erlauben die präzisen Messungen eine im Vergleich zu früheren Veröffentlichungen verbesserte Bestimmung der Eigenschaften der emittierenden Teilchenpopulation. Es ergibt sich, dass das Energiespektrum von RX J0852.0-4622 ein Potenzgesetz ist, das zu hohen Energien hin mit einer Abschneideenergie von 7.2 TeV exponentiell unterdrückt wird. Abschließend wird anhand von Simulation gezeigt, dass CTA die Abschneideenergie von RX J0852.0-4622 signifikant besser bestimmen können wird. Diese genauere Vermessung des Energiespektrums sollte dazu beitragen, den hadronischen oder leptonischen Charakter der Emission aufzuklären. / This work focuses on two different aspects of gamma-ray astronomy. On the one hand, it studies the instrumental challenge posed by the future CTA Observatory by estimating the amount of data to be collected. Based on an analysis of simulated data, the more demanding southern array is expected to have an array trigger rate of 13 kHz, a data rate of up to 2500 MB/s and a data volume after 15 yr of operation and assuming a duty cycle of 15% of up to 165 PB. The design of the data acquisition and storage systems will be a challenge but should be manageable with existing technologies. On the other hand, it studies supernova remnants, by presenting analysis results of the gamma-ray data of the RX J0852.0-4622 supernova remnant (commonly known as Vela Junior) measured with the operating H.E.S.S. experiment and interpreting them in order to check the plausibility of RX J0852.0-4622 being a cosmic ray accelerator. The more precise measurements permit a better determination of the parent particle population properties with respect to previous publications. More precisely, a clear curvature of the spectrum of RX J0852.0-4622 is measured with an exponential energy cut-off at 7.2 TeV. Finally, the analysis of simulated data shows that CTA should be able to significantly improve the determination of the spectral energy cut-off of RX J0852.0-4622, which should help in identifying the nature of the gamma-ray emission.

Diese Arbeit berichtet über die Suche nach gepulster und ungepulster hochenergetischer (VHE) Gammastrahlung mit dem High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) im Energiebereich von 100 GeV bis 100 TeV von drei Pulsaren. Gepulste VHE Gammastrahlung wurde bisher nur fuer den jungen Krebspulsar gefunden. Eine besondere Gruppe von Pulsarwindnebeln (PWN) sind die zusammengesetzten Supernovaüberreste (SNR), bei denen sich ein PWN im Zentrum einer expandierenden SNR Schale befindet. Die Resultate der Suche nach gepulster und ungepulster VHE Gammastrahlung von zwei Millisekundenpulsaren, PSR J0437-4715 und PSR J1824-2452, werden im ersten Teil dieser Arbeit vorgestellt. Teile der Beobachtungen wurden in einer speziellen Triggerkonfiguration (dem Topologischen Trigger mit konvergenter Ausrichtung) durchgeführt, um die Energieschwelle des Instruments zu senken. Kein Hinweis auf gepulste oder ungepulste Emission wurde gefunden und obere Grenzen auf den gepulsten und ungepulsten Fluss wurden bestimmt. Die oberen Grenzen auf den gepulsten Fluss werden mit bestehenden Modellvorhersagen verglichen und erlauben für PSR J1824-2452 den Bereich möglicher Geometrien in einigen Modellen einzuschränken. Die Resultate der Suche nach gepulster und ungepulster VHE Gammastrahlung aus der Richtung des zusammengesetzten SNR Kes 75 werden im zweiten Teil dieser Arbeit präsentiert. Der PWN im Zentrum von Kes 75 wird von einem sehr jungen und energiereichen Pulsar, PSR J1846-0258, angetrieben, der ein aussergewöhnlich starkes Magnetfeld besitzt. Während kein Hinweis auf gepulste Strahlung gefunden wurde, konnte ungepulste Emission von VHE Gammastrahlung von einer Punktquelle mit einer statistischen Signifikanz von 10 sigma nachgewiesen werden. Die VHE Gammastrahlung ist räumlich koinzident mit dem PWN und mit der SNR Schale. Beide werden als mögliche Quelle für die beobachtete Emission diskutiert. Der Pulsar von Kes 75 wäre der jüngste bisher bekannte Pulsar, der einen Pulsarwindnebel antreibt. / This work reports on the search for pulsed and steady very-high energy (VHE) gamma-ray emission in the energy range extending from 100 GeV up to 100 TeV from the direction of three pulsars with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). Pulsed gamma-ray radiation from pulsars with energies beyond 100 GeV was found thus far only for the young and energetic Crab pulsar. A special class of pulsar wind nebulae (PWNe) is associated with composite supernova remnants (SNRs) where the PWN is centered in an expanding SNR shell. In the first part of this thesis, the results on the search for pulsed and steady VHE gamma-ray emission from the two millisecond pulsars, PSR J0437-4715 and PSR J1824-2452, are presented. Parts of the observations were conducted in a special trigger setup (the topological trigger with convergent pointing) to reduce the energy threshold of the instrument. No signal of pulsed or steady emission is found and upper limits on the pulsed and steady gamma-ray flux are derived. The upper limits on the pulsed gamma-ray flux are compared to existing model predictions and, in the case of PSR J1824-2452, allow the range of possible viewing geometries in some models to be constrained. In the second part of this work, results on the search for pulsed and steady VHE gamma-ray emission from the direction of the composite SNR Kes 75 are presented. The PWN in the center of Kes 75 is powered by a very young and powerful pulsar, PSR J1846-0258, that has an exceptionally high magnetic field. While no hint for pulsed emission is found, steady VHE gamma-ray emission is detected with a statistical significance of 10 sigma from a point-like source. The VHE gamma-ray emission is spatially coincident with the PWN and the SNR shell. Both are discussed as a possible origin for the observed emission. The pulsar of Kes 75 would be the youngest pulsar known to date to power a VHE PWN.

Cherenkov-Teleskope sind in der Lage, das schwache Cherenkovlicht aus Teilchenschauern zu detektieren, die von kosmischen Teilchen mit Energien von ca. 100 GeV bis 100 TeV in der Erdatmosphäre initiiert werden. Das Ziel ist die Detektion von Cherenkovlicht aus Schauern, die von Gammastrahlen erzeugt wurden, der größte Teil der Schauer stammt jedoch von geladenen Teilchen. Im Jahr 2012 wurde das H.E.S.S.-Observatorium in Namibia, bis dahin bestehend aus vier Teleskopen mit 100 m²-Spiegeln, um ein fünftes Teleskop mit einer Spiegelfläche von ca. 600 m² ergänzt. Aufgrund der großen Spiegelfläche besitzt dieses Teleskop die niedrigste Energieschwelle aller Teleskope dieser Art. In dieser Dissertation wird ein schneller Algorithmus namens MonoReco präsentiert, der grundlegende Eigenschaften der Gammastrahlen wie ihre Energien und Richtungen rekonstruieren kann. Dieser Algorithmus kann weiterhin unterscheiden, ob Schauer von Gammastrahlen oder von geladenen Teilchen der kosmischen Strahlung initiiert wurden. Diese Aufgaben werden mit mithilfe von künstlichen neuronalen Netzwerken erfüllt, welche ausschließlich die Momente der Intensitätsverteilungen in der Kamera des neuen Teleskops analysieren. Eine Energieschwelle von 59 GeV und Richtungsauflösungen von 0.1°-0.3° werden erreicht. Das Energiebias liegt bei wenigen Prozent, die Energieauflösung bei 20-30%. Unter anderem mit dem MonoReco-Algorithmus wurden Daten, die in der Zeit um das Periastron des Binärsystems PSR B1259-63/LS 2883 im Jahre 2014 genommen wurden, analysiert. Es handelt sich hierbei um einen Neutronenstern, der sich in einem 3,4-Jahres-Orbit um einen massereichen Stern mit einer den Stern umgebenden Scheibe aus Gas und Plasmen befindet. Zum ersten Mal konnte H.E.S.S. das Gammastrahlenspektrum dieses Systems bei Energien unterhalb von 200 GeV messen. Weiterhin wurde bei erstmaligen Beobachtungen zur Zeit des Periastrons ein lokales Flussminimum gemessen. Sowohl vor dem ersten als auch nach dem zweiten Transit des Neutronensterns durch die Scheibe wurden hohe Flüsse gemessen. Im zweiten Fall wurden Beobachtungen erstmals zeitgleich mit dem Fermi-LAT-Experiment durchgeführt, das wiederholt sehr hohe Flüsse in diesem Teil des Orbits messen konnte. Ein Vergleich der gemessenen Flüsse mit Vorhersagen eines leptonischen Modells zeigt gute Übereinstimmungen. / Cherenkov telescopes can detect the faint Cherenkov light emitted by air showers that were initiated by cosmic particles with energies between approximately 100 GeV and 100 TeV in the Earth's atmosphere. Aiming for the detection of Cherenkov light emitted by gamma ray-initiated air showers, the vast majority of all detected showers are initiated by charged cosmic rays. In 2012 the H.E.S.S. observatory, until then comprising four telescopes with 100 m² mirrors each, was extended by adding a much larger fifth telescope with a very large mirror area of 600 m². Due to the large mirror area, this telescope has the lowest energy threshold of all telescopes of this kind. In this dissertation, a fast algorithm called MonoReco is presented that can reconstruct fundamental properties of the primary gamma rays like their direction or their energy. Furthermore, this algorithm can distinguish between air showers initiated either by gamma rays or by charged cosmic rays. Those tasks are accomplished with the help of artificial neural networks, which analyse moments of the intensity distributions in the camera of the new telescope exclusively. The energy threshold is 59 GeV and angular resolutions of 0.1°-0.3° are achieved. The energy reconstruction bias is at the level of a few percent, the energy resolution is at the level of 20-30%. Data taken around the 2014 periastron passage of the gamma-ray binary PSR B1259-63/LS 2883 were analysed with, among others, the MonoReco algorithm. This binary system comprises a neutron star in a 3.4 year orbit around a massive star with a circumstellar disk consisting of gas and plasma. For the first time the gamma-ray spectrum of this system could be measured by H.E.S.S. down to below 200 GeV. Furthermore, a local flux minimum could be measured during unprecedented measurements at the time of periastron. High fluxes were measured both before the first and after the second transit of the neutron star through the disk. In the second case measurements could be performed for the first time contemporaneously with the Fermi-LAT experiment, which has repeatedly detected very high fluxes at this part of the orbit. A good agreement between measured fluxes and predictions of a leptonic model is found.