The subject of this thesis is the simulation study of the development of extensive air show ers produced by very high energy gamma-ray and hadronic cosmic rays with respect to the Cherenkov light they produce, and its imaging in ground based telescopes. Chapters 1-4 are introductory: Chapter 1 covers the mechanisms responsible for the production of very high energy gamma-rays, whereas, chapter 2 focusses on the development of extensive air showers and Cherenkov light production. Chapter 3 covers the instrumentation used to measure the Cherenkov light using the imaging atmospheric Cherenkov technique. Chapter 4 covers known and possible sources of very high energy gamma-rays. Chapters 5, 6 and 7 cover research performed by the author: Chapter 5 discusses some of the differences between three popular extensive air shower simulations codes, namely ALTAI, CORSIKA and MOCCA. Chapter 6 details the simulation of the response of two ground based imaging atmospheric Cherenkov telescope (the Durham Mark 6 and stand-alone H.E.S.S. telescopes), and in particular details the derivation of the flux of the x-ray selected BL-LAC PKS 2155-304 with the Durham Mark 6 telescope. This represents the refinement of a published measurement given an improved telescope simulation. The significance of the signal seen is 6.8o, and the integral flux derived above 1.5 TeV (assuming a differential spectral slope of-2.6) is {2.5±0.7stat ± (^0.5)(_1.6syst) x 10(^-7) photons m(^-2) s(^-1) Chapter 7 discusses the importance of the atmosphere, and the results of shower simulations under different atmospheric assumptions are presented, which indicate the importance of atmospheric calibration for the new generation of Cherenkov telescopes. The results of this chapter suggest that to first order large changes in the low level aerosol concentration have a much more significant effect on the trigger rate of a stand-alone H.E.S.S. telescope, than on the Hillas parameter distributions seen. Chapter 8 brings together the work done in this thesis, and highlights a final set of fluxes for the active galactic nuclei sources seen with the Durham Mark 6 telescope, many of which will form future sources to be measured with the H.E.S.S. system. The current status of the stand-alone H.E.S.S. system is also covered in chapter 8. The thesis concludes with a further brief discussion of the future prospects for imaging atmospheric Cherenkov astronomy.

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Nesta tese investigamos uma possível componente de partículas previstas por modelos além do modelo padrão da física de partículas, como por exemplo o massive gluino LSP, nos raios cósmicos de altíssimas energias (UHECR). Nosso objetivo é determinar os sinais experimentais em telescópios de fluorescência devidos a hádrons exóticos massivos e neutros, genericamente denominados de UHECRons. Para simular chuveiros iniciados por essa classe de partículas, alteramos o pacote Aires de simulação de chuveiros atmosféricos e o modelo hadrônico Sibyll. Estes chuveiros foram utilizados como entrada em simulações de telescópios de fluorescência por nós desenvolvidas, obtendo-se assim as distribuições dos observáveis desses chuveiros exóticos. A partir da comparação entre as características de chuveiros iniciados uhecrons e prótons, desenvolvemos métodos para a separação de sinais entre esses dois tipos de partículas. Esses métodos podem ser utilizados em uma análise inicial, com o intuito de procurar por sinais de partículas exóticas nos dados reais de observatórios de UHECR. / In this thesis we investigate a possible component of particles predicted by models beyond the standard model of particle physics, like the massive gluino LSP, in the ultra high energy cosmic rays (UHECR). Our objective is to determine the experimental signals on fluorescence telescopes due to exotic massive and neutral hadrons, generically called UHECRons. To simulate showers initiated by this class of particle, we altered the shower simulation package Aires and the hadronic model Sibyll. These showers were used as input in our simulations of fluorescence telescopes, thus obtaining the distribuitons of the observables for these exotic showers. By comparing the characteristics of showers initiated by uhecrons and protons, we developed methods to distinguish the signals between these two particles. These methods can be used in an initial analysis in order to look for signals of exotic particles in the real data of UHECR observatories.

Το Δεκέμβρη του 2013 στην Κέντρο Παιδείας Επιστημών της Πάτρας εγκαταστάθηκε και έλαβε μετρήσεις ένας σταθμός HELYCON τριών ανιχνευτών σπινθηρισμών και μία κεραία LOFAR. Σκοπός μας ήταν η καταγραφή Εκτεταμένων Ατμοσφαιρικών Καταιονισμών τόσο με το σταθμό HELYCON όσο και με την κεραία η οποία λειτούργησε με σήμα σκανδαλισμού από το σταθμό. Στην εργασία αυτή περιγράφεται η μέθοδος με την οποία βαθμονομήθηκε ο συγκεκριμένος σταθμός, η λειτουργία του καθώς και η ανάλυση των μετρήσεων. Αρχικά περιγράφεται η διαδικασία με την οποία βαθμονομούνται οι φωτοπολλάπλασιαστές στο εργαστήριο φυσικής του Ελληνικού Ανοικτού Πανεπιστημίου. Στην συνέχεια παρουσιάζονται τα στάδια από τα οποία περνάει ένας ανιχνευτής ώστε να εκτιμηθούν τα λειτουργικά του χαρακτηριστικά. Τέλος πραγματοποιούνται μετρήσεις βαθμονόμησης της ομάδας ανιχνευτών που θα αποτελέσουν ένα σταθμό HELYCON. Η εργασία ολοκληρώνεται με την ανάλυση των δεδομένων και τη σύγκρισή τους με τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση Monte Carlo. Η συμφωνία του πειράματος και της προσομοίωσης επιβεβαιώνουν την αξιόπιστη λειτουργία του σταθμού. Όλες οι παραπάνω διαδικασίες γίνονται σύμφωνα με την μεθοδολογία που παρουσιάζεται στη διδακτορική διατριβή του Δρ. Μπουρλή. / The subject of the current work is the extensive air showers, their Detection and reconstruction.

Nesta tese investigamos uma possível componente de partículas previstas por modelos além do modelo padrão da física de partículas, como por exemplo o massive gluino LSP, nos raios cósmicos de altíssimas energias (UHECR). Nosso objetivo é determinar os sinais experimentais em telescópios de fluorescência devidos a hádrons exóticos massivos e neutros, genericamente denominados de UHECRons. Para simular chuveiros iniciados por essa classe de partículas, alteramos o pacote Aires de simulação de chuveiros atmosféricos e o modelo hadrônico Sibyll. Estes chuveiros foram utilizados como entrada em simulações de telescópios de fluorescência por nós desenvolvidas, obtendo-se assim as distribuições dos observáveis desses chuveiros exóticos. A partir da comparação entre as características de chuveiros iniciados uhecrons e prótons, desenvolvemos métodos para a separação de sinais entre esses dois tipos de partículas. Esses métodos podem ser utilizados em uma análise inicial, com o intuito de procurar por sinais de partículas exóticas nos dados reais de observatórios de UHECR. / In this thesis we investigate a possible component of particles predicted by models beyond the standard model of particle physics, like the massive gluino LSP, in the ultra high energy cosmic rays (UHECR). Our objective is to determine the experimental signals on fluorescence telescopes due to exotic massive and neutral hadrons, generically called UHECRons. To simulate showers initiated by this class of particle, we altered the shower simulation package Aires and the hadronic model Sibyll. These showers were used as input in our simulations of fluorescence telescopes, thus obtaining the distribuitons of the observables for these exotic showers. By comparing the characteristics of showers initiated by uhecrons and protons, we developed methods to distinguish the signals between these two particles. These methods can be used in an initial analysis in order to look for signals of exotic particles in the real data of UHECR observatories.

EUSO-Balloon and EUSO-SPB are balloon borne pathfinder projects designed to val- idate the techniques of the JEM-EUSO space observatory. They are nadir pointing UV telescopes that use experimental experimental Fresnel optics to detect the ultravi- olet emission of Extensive Air Showers (EAS) induced by Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECR) in the atmosphere. EUSO-Balloon was launched by the balloon di- vision of CNES (the french space agency) from Timmins, Ontario, Canada in 2014. Despite the success of the mission the performance of the optics was lower than what it was originally modeled and led to many doubts regarding the understanding of the optics and fresnel lenses themselves. This thesis explores three parameters proposed to explain the reduction in eciency of the system which were not simulated in the original characterization: the rounded valleys in the Fresnel lens grooves created by the tool peak radii, scratches on the surface of the lenses and the surface roughness of the fresnel lenses. These parameters were simulated and results show that they show a reduction in performance which approximates more the characterization measure- ments but still do not match exactly, leaving room for further analysis. EUSO-SPB1 is the successor of EUSO-Balloon with a launch planned in 2017 from Wanaka, New Zealand. The results of the first phase of the optics characterization campaign is pre- sented in this work. The results indicate that the optics performance is similar to that of EUSO-Balloon and require further understanding. / <p>Thesis defended in Toulouse, France as part of the SPACEMASTER programme.</p>

Extensive air showers&rsquo; (EAS) observables sensible to primary cosmic ray mass are a valuable asset in constraining competing astrophysical and particle physics scenarios proposed both to explaining cosmic rays features, such as their all-particle spectra, as well as their origin. These observables, however, need to be interpreted by comparison to EAS simulations, which are a source of great uncertainty. Shower simulations need to rely on a technique called thinning, an algorithm created to reduce computing time and storage requirement. In this work, we evaluate the effects of thinning over the muon production profile of an EAS simulation. For heavier particles it appears that thinned showers generate profiles with a deeper maximum, while results were not conclusive for protons and photon primaries. We investigate the thinning technique by constructing a toy model for shower simulations in which we have full control of the thinning implementation. To that end, we parameterized the energy distribution and particle production multiplicity from proton-air interactions and proton-pion interactions. However, we find that thinning effects over our model were too severe, rendering it impossible to draw further conclusions about its effects on full air showers simulations. / Observáveis sensíveis à composição de raios cósmicos primários em chuveiros atmosféricos extensos são um recurso valioso na constrição de cenários competidores em astrofísica e física de partículas, propostos tanto para explicar características dos raios cósmicos, como o espectro de energia de todas as partículas, quanto sua origem. Estes observáveis, no entanto, precisam ser interpretados por comparação a simulações de chuveiros atmosféricos, que constituem fonte de grandes incertezas. Simulações de chuveiros são dependentes de uma técnica chamada thinning, um algoritmo criado para reduzir o tempo de computação e exigências de armazenamento. Neste trabalho, nós avaliamos os efeitos do thinning sobre o perfil de produção de múons em uma simulação de chuveiro atmosférico. Para partículas mais pesadas, aparentemente, chuveiros sujeitos ao thinning geram perfis com máximos mais profundos, e para prótons e fótons nossas análises foram inconclusivas. Nós investigamos a técnica do thinning construindo um simulador de chuveiros simplificado, em que o total controle sobre a implementação do thinning é garantido. Para este fim, parametrizamos a distribuição de energia e a multiplicidade de partículas em interações de próton com o ar e de píons com o ar. Entretanto, descobrimos que o efeito do thinning sobre o nosso modelo era muito severo, tornando impossível concluir seus efeitos sobre simulações completas.

O objetivo desta dissertação é a busca de anisotropias em grandes escalas angulares no fluxo de raios cósmicos acima de 4 × 10^{18} eV e o confronto dos resultados obtidos com as previsões dos principais modelos astrofísicos na região de ultra altas energias. Com esse propósito foram analisados os dados de chuveiros atmosféricos extensos registrados pelo Observatório Pierre Auger no período de 01 de janeiro de 2004 até 31 de agosto de 2016, compreendendo um total de 108 480 eventos detetados com ângulos zenitais entre 0 e 80 graus acima de 4 × 10^{18} eV. Efeitos sistemáticos locais como a influência da variação das condições atmosféricas e a influência do campo geomagnético nos estimadores de energia das cascatas atmosféricas foram corrigidos cuidadosamente para evitar a introdução de sinais espúrios de anisotropias na análise. Especial ênfase foi dedicada à construção de um mapa bidimensional na esfera celeste com os valores da exposição para cada direção no céu, calculado com uma precisão de 1% a partir da informação da área de coleção efetiva no Observatório Pierre Auger a cada minuto. Da mesma forma, a distribuição das direções de chegada dos eventos foi registrada em mapas bidimensionais na esfera celeste que, após corrigidos pela exposição, são transformados nos mapas de fluxo usados na análise quantitativa para a busca de anisotropias. Neste trabalho procurou-se padrões dipolares de anisotropias, os quais foram quantificados usando o método de expansão multipolar em harmônicos esféricos. Diferentemente do método bidimensional de Rayleigh usado na maioria dos estudos deste tipo, o método aqui utilizado fornece de maneira direta as três componentes cartesianas do dipolo, por meio das quais a reconstrução da amplitude e orientação espacial do dipolo é feita de maneira mais natural. A busca de anisotropias foi realizada em dois intervalos de energia independentes, assim foram analisados por separado os eventos com energias entre 4 × 10^{18} e 8 × 10^{18} eV e de energias maiores que 8 × 10^{18} eV. No primeiro intervalo não foi encontrado nenhum sinal de anisotropia estatisticamente significativo. No segundo intervalo foi encontrada uma anisotropia dipolar de amplitude d = (7.9 ± 1.1)% com coordenadas equatoriais (_d , _d ) = (103 ± 10 , 38 ± 7 ) graus e uma probabilidade de ocorrência ao acaso de 6.90 × 10^{8} , correspondendo a uma significância estatística acima do limiar de descoberta de 5 . Tal amplitude e direção são melhor explicadas assumindo-se uma origem extragaláctica para os raios cósmicos com energias acima de 8 × 10^{18} eV. / The aim of this dissertation is the search for large scale anisotropies in the cosmic ray flux above 4 × 10^{18} eV and the comparison of the results with the predictions of the main astrophysical models in the ultra high energy region. With this purpose we analyzed the data of extensive air showers detected by the Pierre Auger Observatory in the period of 1st January 2004 to 31st August 2016 comprising a total of 108 480 events with zenith angles between 0 and 80 degrees above the threshold of 4 × 10^{18} eV. Local systematic effects such as the influence of the variation of the atmospheric conditions and the effect of the geomagnetic field in the energy estimators were properly corrected to avoid the introduction of spurious anisotropy signals in the analysis. Special emphasis was placed on the construction of a two-dimensional map on the celestial sphere with the exposure values for each direction on the sky, calculated with an accuracy of 1% from the information of the effective collection area of the observatory at every minute. Likewise, the arrival directions distribution of the events was recorded in two-dimensional maps on the celestial sphere that after correcting by the exposure were transformed into the flux maps to be used in the quantitative analysis for the anisotropies search. In this work we search for dipolar-like anisotropy patterns, which were quantified by performing a spherical harmonics decomposition of the cosmic ray flux map. Unlike the traditional two-dimensional Rayleigh method used in the majority of the studies of this kind, the method used here directly provides the three cartesian components of the dipole, allowing the reconstruction of its amplitude and orientation in a more natural way. The anisotropy search was made in two independent energy bins, so the distributions of the events with energies between 4 × 10^{18} and 8 × 10^{18} eV and those with energies greater than 8 × 10^{18} eV were analyzed separately. In the first energy bin no statistically significant departure from isotropy was found. In the second energy bin a dipole anisotropy of amplitude d = (7.9 ± 1.1)% with equatorial coordinates (_d , _d ) = (103 ± 10 , 38 ± 7 ) degrees and a chance probability of 6.90 × 10^{8} was found, corresponding to a statistical significance above the discovery threshold of 5 . Such amplitude and direction for the reconstructed dipole is better explained if an extragalactic origin is assumed for the bulk of cosmic rays above 8 × 10^{18} eV.

O objetivo desta dissertação é a busca de anisotropias em grandes escalas angulares no fluxo de raios cósmicos acima de 4 × 10^{18} eV e o confronto dos resultados obtidos com as previsões dos principais modelos astrofísicos na região de ultra altas energias. Com esse propósito foram analisados os dados de chuveiros atmosféricos extensos registrados pelo Observatório Pierre Auger no período de 01 de janeiro de 2004 até 31 de agosto de 2016, compreendendo um total de 108 480 eventos detetados com ângulos zenitais entre 0 e 80 graus acima de 4 × 10^{18} eV. Efeitos sistemáticos locais como a influência da variação das condições atmosféricas e a influência do campo geomagnético nos estimadores de energia das cascatas atmosféricas foram corrigidos cuidadosamente para evitar a introdução de sinais espúrios de anisotropias na análise. Especial ênfase foi dedicada à construção de um mapa bidimensional na esfera celeste com os valores da exposição para cada direção no céu, calculado com uma precisão de 1% a partir da informação da área de coleção efetiva no Observatório Pierre Auger a cada minuto. Da mesma forma, a distribuição das direções de chegada dos eventos foi registrada em mapas bidimensionais na esfera celeste que, após corrigidos pela exposição, são transformados nos mapas de fluxo usados na análise quantitativa para a busca de anisotropias. Neste trabalho procurou-se padrões dipolares de anisotropias, os quais foram quantificados usando o método de expansão multipolar em harmônicos esféricos. Diferentemente do método bidimensional de Rayleigh usado na maioria dos estudos deste tipo, o método aqui utilizado fornece de maneira direta as três componentes cartesianas do dipolo, por meio das quais a reconstrução da amplitude e orientação espacial do dipolo é feita de maneira mais natural. A busca de anisotropias foi realizada em dois intervalos de energia independentes, assim foram analisados por separado os eventos com energias entre 4 × 10^{18} e 8 × 10^{18} eV e de energias maiores que 8 × 10^{18} eV. No primeiro intervalo não foi encontrado nenhum sinal de anisotropia estatisticamente significativo. No segundo intervalo foi encontrada uma anisotropia dipolar de amplitude d = (7.9 ± 1.1)% com coordenadas equatoriais (_d , _d ) = (103 ± 10 , 38 ± 7 ) graus e uma probabilidade de ocorrência ao acaso de 6.90 × 10^{8} , correspondendo a uma significância estatística acima do limiar de descoberta de 5 . Tal amplitude e direção são melhor explicadas assumindo-se uma origem extragaláctica para os raios cósmicos com energias acima de 8 × 10^{18} eV. / The aim of this dissertation is the search for large scale anisotropies in the cosmic ray flux above 4 × 10^{18} eV and the comparison of the results with the predictions of the main astrophysical models in the ultra high energy region. With this purpose we analyzed the data of extensive air showers detected by the Pierre Auger Observatory in the period of 1st January 2004 to 31st August 2016 comprising a total of 108 480 events with zenith angles between 0 and 80 degrees above the threshold of 4 × 10^{18} eV. Local systematic effects such as the influence of the variation of the atmospheric conditions and the effect of the geomagnetic field in the energy estimators were properly corrected to avoid the introduction of spurious anisotropy signals in the analysis. Special emphasis was placed on the construction of a two-dimensional map on the celestial sphere with the exposure values for each direction on the sky, calculated with an accuracy of 1% from the information of the effective collection area of the observatory at every minute. Likewise, the arrival directions distribution of the events was recorded in two-dimensional maps on the celestial sphere that after correcting by the exposure were transformed into the flux maps to be used in the quantitative analysis for the anisotropies search. In this work we search for dipolar-like anisotropy patterns, which were quantified by performing a spherical harmonics decomposition of the cosmic ray flux map. Unlike the traditional two-dimensional Rayleigh method used in the majority of the studies of this kind, the method used here directly provides the three cartesian components of the dipole, allowing the reconstruction of its amplitude and orientation in a more natural way. The anisotropy search was made in two independent energy bins, so the distributions of the events with energies between 4 × 10^{18} and 8 × 10^{18} eV and those with energies greater than 8 × 10^{18} eV were analyzed separately. In the first energy bin no statistically significant departure from isotropy was found. In the second energy bin a dipole anisotropy of amplitude d = (7.9 ± 1.1)% with equatorial coordinates (_d , _d ) = (103 ± 10 , 38 ± 7 ) degrees and a chance probability of 6.90 × 10^{8} was found, corresponding to a statistical significance above the discovery threshold of 5 . Such amplitude and direction for the reconstructed dipole is better explained if an extragalactic origin is assumed for the bulk of cosmic rays above 8 × 10^{18} eV.

Extensive air showers&rsquo; (EAS) observables sensible to primary cosmic ray mass are a valuable asset in constraining competing astrophysical and particle physics scenarios proposed both to explaining cosmic rays features, such as their all-particle spectra, as well as their origin. These observables, however, need to be interpreted by comparison to EAS simulations, which are a source of great uncertainty. Shower simulations need to rely on a technique called thinning, an algorithm created to reduce computing time and storage requirement. In this work, we evaluate the effects of thinning over the muon production profile of an EAS simulation. For heavier particles it appears that thinned showers generate profiles with a deeper maximum, while results were not conclusive for protons and photon primaries. We investigate the thinning technique by constructing a toy model for shower simulations in which we have full control of the thinning implementation. To that end, we parameterized the energy distribution and particle production multiplicity from proton-air interactions and proton-pion interactions. However, we find that thinning effects over our model were too severe, rendering it impossible to draw further conclusions about its effects on full air showers simulations. / Observáveis sensíveis à composição de raios cósmicos primários em chuveiros atmosféricos extensos são um recurso valioso na constrição de cenários competidores em astrofísica e física de partículas, propostos tanto para explicar características dos raios cósmicos, como o espectro de energia de todas as partículas, quanto sua origem. Estes observáveis, no entanto, precisam ser interpretados por comparação a simulações de chuveiros atmosféricos, que constituem fonte de grandes incertezas. Simulações de chuveiros são dependentes de uma técnica chamada thinning, um algoritmo criado para reduzir o tempo de computação e exigências de armazenamento. Neste trabalho, nós avaliamos os efeitos do thinning sobre o perfil de produção de múons em uma simulação de chuveiro atmosférico. Para partículas mais pesadas, aparentemente, chuveiros sujeitos ao thinning geram perfis com máximos mais profundos, e para prótons e fótons nossas análises foram inconclusivas. Nós investigamos a técnica do thinning construindo um simulador de chuveiros simplificado, em que o total controle sobre a implementação do thinning é garantido. Para este fim, parametrizamos a distribuição de energia e a multiplicidade de partículas em interações de próton com o ar e de píons com o ar. Entretanto, descobrimos que o efeito do thinning sobre o nosso modelo era muito severo, tornando impossível concluir seus efeitos sobre simulações completas.