[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.

Diese Arbeit beschreibt die Entdeckung von hochenergetischer Gammastrahlung aus Richtung des Binaersystems PSR B1259-63 / SS 2883. Die Beobachtungen dieses Systems von einem Radio-Pulsar, der sich auf einer stark exzentrischen Umlaufbahn um einen schweren und hellen Stern befindet, wurden mit dem High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), einem System von abbildenden atmosphaerischen Cherenkov-Teleskopen, in der ersten Haelfte des Jahres 2004 durchgefuehrt. Kosmische Gammastrahlen im Energiebereich zwischen 0.1 und 100 TeV erzeugen in der oberen Atmosphaere Luftschauer von relativistischen Sekundaerteilchen, deren Cherenkov-Emission von den Teleskopen des Systems nachgewiesen werden kann. Vor der Entdeckung von TeV-Gammastrahlung aus Richtung von PSR B1259-63 galt dieses System als ein aussichtsreicher Kandidat fuer die Beschleunigung von geladenen Teilchen auf Energien oberhalb von 1 TeV. Es wurde angenommen, dass die Wechselwirkung des relativistischen Pulsarwindes mit dem Sternenwind des Begleitsterns massive Plasmaschocks erzeugt, in denen die Beschleunigung erfolgt. Durch die H.E.S.S. Beobachtungen wurde ein Signal von Photonen im TeV-Bereich mit einer statistischen Signifikanz von ueber 13 sigma gemessen und somit wurde die Beschleunigung von Teilchen auf TeV-Energien innerhalb des Binaersystems erstmalig zweifelsfrei nachgewiesen. Das gemessene Energiespektrum kann im zeitlichen Mittel mit einem Potenzgesetz mit dem Photonenindex 2.7 +- 0.3 beschrieben werden. Diese Form des Spektrums weist auf eine Erzeugung der Gammastrahlung durch inverse Compton-Streuung von schock-beschleunigten Elektronen und Positronen mit den Photonen der thermischen Strahlung von SS 2883 hin. Die gemessene Variation des Flusses der Gammastrahlung auf einer Zeitskala von Tagen ist bisher einmalig fuer eine galaktische Quelle von TeV Photonen und ermoeglicht erstmalig Einblicke in die Dynamik der Wechselwirkung eines Pulsarwindes mit einer sich aendernden Umgebung. / This work reports on the discovery of very high energy (VHE) gamma-ray emission of the binary system PSR B1259-63 / SS 2883, consisting of a radio pulsar orbiting a massive, luminous star in a highly eccentric orbit. The observations of the binary system in the first half of 2004 were performed with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), a system of imaging atmospheric Cherenkov telescopes, recently installed in Namibia and in full operation since December 2003. The instrument collects the Cherenkov light emitted by air showers which are induced by the interaction of cosmic gamma-rays with the upper atmosphere. This technique allows to detect gamma-rays with energies ranging from 10^11 to 10^14 electron Volts, and to reconstruct their direction and energy with an angular resolution of less than 0.1° and energy resolution of better than 20%, respectively. Prior to the detection of VHE gamma-rays from PSR B1259-63, the system served as a candidate for the acceleration of particles to TeV energies. The acceleration is believed to take place in plasma shocks produced by the interaction of the relativistic pulsar wind with the massive stellar winds of the companion star. The VHE gamma-ray signal from the binary system was detected with a total significance above 13 sigma. This detection provides the first unambiguous evidence for particle acceleration to multi-TeV energies in this binary system. The measured time-averaged energy spectrum can be described by a power law with a photon index 2.7 +- 0.3 suggesting that the emission is produced by inverse Compton scattering of shock-accelerated electrons and positrons on the thermal photons emitted by SS 2883. The gamma-ray flux was found to vary significantly on timescales of days which makes PSR B1259-63 the first variable galactic source of VHE gamma-rays observed so far and gives valuable insights into the dynamics of pulsar winds interacting with a changing environment.

HESS J1741−302 ist eine nicht identifizierte Quelle sehr hochenergetischer Gammastrahlen, welche circa 1,7 Grad vom Zentrum der Milchstraße entfernt liegt. Diese Quelle ist eines der schwächsten Objekte im TeV-Bereich mit einem Photonfluss von Φ(>1 TeV) = (1.65 ± 0.28stat ± 0.33sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1, was ~1% des Krebsnebelflusses im gleichen Energiebereich entspricht. Die Analyse des aktuellen H.E.S.S. Datensatzes von 145 Stunden Beobachtungen mit hoher Qualität gibt Einblicke in die Morphologie von HESS J1741−302. Das Energiespektrum von HESS J1741−302 geht über 10 TeV hinaus, ohne dabei ein klares Anzeichen für einen spektralen Abbruch zu zeigen. Das Spektrum kann durch ein Potenzgesetz mit einem spektralen Index von Γ = 2.28 ± 0.16stat ± 0.20sys und einer Normierung bei 1 TeV von Φ0 = (2.12 ± 0.42stat ± 0.42sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1 TeV^−1 beschrieben werden. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Szenarien für die beobachtete Gammastrahlung und deren Entstehung in Betracht gezogen. Diese beinhalten die Wechselwirkung von Protonen der kosmischen Strahlung mit Molekülwolken entlang der Sichtlinie, IC Streuung an Infrarot-Photonen eines nahe gelegenen OH/IR Sterns und die Präsenz eines Pulsarwindnebels, welcher möglicherweise zu PSR B1737−30 gehört. / HESS J1741−302 is an unidentified very-high-energy (VHE) γ-ray source located in the Galactic Plane at about 1.7° away from the Galactic Center. It is one of the faintest TeV objects detected so far, with a flux Φ(>1 TeV) = (1.65 ± 0.28stat ± 0.33sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1 corresponding to ~ 1% of the Crab Nebula flux at the same energies. The data analysis of an updated high-quality dataset of ~145 hours of VHE H.E.S.S. data taken between 2004 and 2013 has revealed the morphology of HESS J1741−302. The γ-ray spectrum of HESS J1741−302 extends beyond 10 TeV without showing any clear evidence of a cut-off. The source spectrum is well described by a power-law model with a spectral index of Γ = 2.28 ± 0.16stat ± 0.20sys and a normalization at 1 TeV of Φ0 = (2.12 ± 0.42stat ± 0.42sys) × 10^−13 cm^−2 s^−1 TeV^−1. Different scenarios will be considered in this thesis, including the interaction of cosmic-ray protons with molecular clouds found along the line of sight, inverse Compton scattering of infra-red photons provided by a nearby OH/IR star and the presence of a nearby pulsar wind nebula possibly related to PSR B1737−30, in order to explain the observed VHE gamma-ray emission.

Diese Arbeit beschreibt die Identifikation der bisher unidentifizierten TeV Gammastrahlungsquelle, HESS J1303-631 als Pulsarwind-Nebel, angetrieben von dem Pulsar PSR J1301-6305. Dieses Ergebnis wird durch den Nachweis von energieabhängiger Morphologie in den vom High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) genommenen Daten und durch die Detektion eines neuen Röntgen-Pulsarwind-Nebels in XMM-Newton Daten erreicht. Zudem wird eine obere Schranke auf den Fluss von Radiostrahlung aus Beobachtungen mit dem Parkes Radioteleskop bei 4.48 GHz abgeleitet. Diese Ergebnisse können in einem leptonischen Modell des Pulsarwind-Nebels verstanden werden, wo Elektronen und Positronen in der Nähe des Termination Shocks des Pulsarwindes auf ultrarelativistische Energien beschleunigt werden. Diese Leptonen bilden einen ausgedehnten Pulsarwind-Nebel, der auf Grund des inversen Compton-Effekts und Synchrotronstrahlung TeV Gammastrahlung beziehungsweise Röntgen- und Radiostrahlung erzeugt. Da nur eine obere Grenze auf den Radiofluss abgeleitet wurde, erfolgte die Modellierung im Rahmen eines einfachen ``one zone models'''', wo angenommen wird, dass die Radio-, Röntgen- und Gammastrahlung alle von derselben Leptonenpopulation erzeugt werden. Das Modell wird aber trotzdem von den Daten schon eingeschränkt und liefert ein schwaches Magnetfeld von ungef 0.9 Microgauss. Diese Magnetfeldstärke ist überraschend niedrig, da in ähnlichen Systemen die Magnetfeldstärken eher bei 10 Microgauss liegen. Andererseits passt das Ergebnis gut zu dem sehr niedrigen Synchrotronstrahlungsfluss. Ein derart schwaches Magnetfeld wird im theoretischen Szenario eines ausgedehnten, beziehungsweise entwickelten Pulsarwind-Nebels erklärt. / This work represents the identification of the very high energy, E > 100 GeV (VHE), Gamma-ray source HESS J1303-631 as a pulsar wind nebula (PWN) powered by the pulsar PSR J1301-6305. This is achieved through the detection of energy dependent morphology in the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) data, the detection of a new X-ray PWN in archival XMM-Newton X-ray observations, as well as multi-wavelength modeling of the source and its energetics. An upper limit on the radio synchrotron flux is obtained from observations made by the Parkes telescope at 4.48 GHz. The combined Gamma-ray, X-ray and radio measurements are used to constrain a leptonic emission model, where strong winds of relativistic electrons and positrons from the pulsar power the acceleration of particles to ultrarelativistic energies at the wind termination shock region, and these shock accelerated leptons then form a nebula which emits in the X-ray and radio bands via synchrotron emission in the ambient magnetic field and Gamma-rays through the inverse Compton mechanism. One surprising result of this analysis is the anomalously low magnetic field derived for the PWN. Typical values for PWNe are on the order of 10 microgauss. For this source, however, the low synchrotron levels predict an average magnetic field of approximately 0.9 microgauss. The low magnetic field is explained in the scenario of an expanded/evolved PWN.

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.

PSR B1259-63 ist ein Binärsystem in welchem ein Pulsar um einen massereichen Be-Stern kreist. Dieses System weist variable, nicht thermische Strahlung um den Periastron herum auf, welche vom Radiobereich bis zu sehr hohen Energien (engl. very-high-energy VHE; E > 100 GeV) sichtbar ist. Die vorliegende Dissertation präsentiert VHE Daten des Systems, gemessen in den Jahren 2005, 2006 b.z.w. vor und kurz nach dem Periastron im Jahr 2007. Diese Daten erweitern das Wissen um die Lichtkurve dieses Objektes über alle Phasen der Umlaufbahn. Diese Daten wurden mit den H.E.S.S. Teleskopen gewonnen. Gamma-Strahlung in einem Energiebereich von 0.5-70 TeV wurde gemessen. Von PSR B1259-63 wurde, unter Verwendung von 55 h Detektorzeit im Jahr 2007, VHE Strahlung mit einer Gesamtsignifikanz von 9.5 Sigma detektiert. Der monatliche Photonen-Fluss wurde vermessen was erstmals zu VHE Lichtkurvendaten noch weit vor dem Periastron führte. PSR B1259-63 wurde auch in den Jahren 2005 und 2006, weit weg vom Periastron, ueberwacht. Hierbei war kein signifikanter Ueberschuss an gamma-Strahlung über Untergrund zu verzeichnen. Die signifikante Detektion von VHE Photonen, die bei einer wahren Anomalie von -0.35 , also bereits 50 Tage vor dem Periastron, ausgesendet wurden, schliesst ein Szenario mit stellarer Scheibe als Zielmaterial für hadronische Wechselwirkungen als Hauptemissionsmechanismus eher aus. Weiters konnten innerhalb einer phänomenologischen Studie Hinweise gefunden werden, dass PSR B1259-63 ein periodischer VHE Strahler ist. Darüber hinaus wurden Modellrechnungen, die auf inverser Comptonstreuung (IC) von schockbeschleunigten Pulsarwindelektronen basieren, durchgeführt. Das dargestellte Modell berücksichtigt strahlungsfreie Verluste, die möglicherweise im Bereich, in dem der Pulsarwind terminiert wird, eine Rolle spielen. Die gefundenen Ergebnisse zeigen ein eigentümliches nicht radiatives Kühlverhalten um den Periastron, das die VHE Emission in PSR B1259-63 dominiert. / PSR B1259-63 is a binary system where a 48 ms pulsar orbits a massive Be star. The system exhibits variable, non-thermal radiation around periastron visible from radio to very high energies (VHE; E>100 GeV). This thesis presents VHE data from PSR B1259-63 as taken during the years 2005, 2006 and before as well as shortly after the 2007 periastron passage. These data extend the knowledge of the lightcurve of this object to all phases of the binary orbit. Observations of VHE gamma-rays with the H.E.S.S. telescope array were performed. Gamma-ray events in an energy range of 0.5-70 TeV were recorded. VHE gamma-ray emission from PSR B1259-63 was detected with an overall significance of 9.5 standard deviations using 55 h of exposure, obtained in 2007. The monthly flux of gamma-rays during the observation period was measured, yielding VHE lightcurve data for the early pre-periastron phase of the system for the first time. PSR B1259-63 was also monitored in 2005 and 2006, far from periastron passage, comprising 8.9 h and 7.5 h of exposure, respectively. No significant excess of gamma-rays is seen in those observations. The firm detection of VHE photons emitted at a true anomaly of -0.35 of the pulsar orbit, i.e. already ~50 days prior to the periastron passage, disfavors the stellar disc target scenario as a primary emission mechanism, based on current knowledge about the companion star''s disc inclination, extension, and density profile. In a phenomenological study indirect evidence that PSR B1259-63 could in fact be a periodical VHE emitter is presented using the TeV data discussed in this work. Moreover, model calculations based on inverse compton (IC) scattering of shock accelerated pulsar wind electrons were performed. The model presented accounts for non-radiative losses possibly at work in the region where the pulsar wind is shocked by stellar outflows. The presented results show a peculiar non-radiative cooling profile around periastron dominating the VHE emission.

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.

Thesis (M.S.)--Uniformed Services University of the Health Sciences, 2005. / Typescript (photocopy).

L'hadronthérapie est l'une des modalités disponibles pour traiter le cancer. Cette modalité utilise des ions légers (protons, ions carbone) pour détruire les cellules cancéreuses. De telles particules ont une précision balistique de par leur trajectoire quasi-rectiligne, leur parcours fini et le profil de dose maximum en fin de parcours, ce qui permet, par rapport à la radiothérapie conventionnelle, d'épargner les tissus sains situés à côté, en aval et en amont de la tumeur. L'un des enjeux de l'assurance qualité de cette modalité est le contrôle du positionnement de la dose déposée par les ions dans le patient. Une possibilité pour effectuer ce contrôle est d'observer les gammas prompts émis lors des réactions nucléaires induites le long du parcours des ions dans le patient. Un prototype de caméra Compton, permettant théoriquement de maximiser l'efficacité de détection des gammas prompts, est actuellement développé dans une collaboration régionale. Mon travail de thèse s'est axé autour de cette caméra et plus particulièrement sur les points suivants : i) étudier par les simulations Monte Carlo le fonctionnement du prototype en cours de construction, notamment en regard des taux de comptage attendus sur les différents types d'accélérateurs en hadronthérapie, ii) mener des études de simulation sur l'utilisation de cette caméra en imagerie clinique, iii) caractériser les détecteurs silicium du diffuseur, iv) confronter les simulations entreprises sur la réponse de la caméra avec des mesures sur faisceau à l'aide d'un démonstrateur. Il résulte que le prototype de caméra Compton développé rend possible un contrôle de la localisation du dépôt de dose en protonthérapie à l'échelle d'un spot, à condition que l'intensité clinique du faisceau de protons soit diminuée d'un facteur 200 (intensité de 108 protons/s). Une application de la caméra Compton en médecine nucléaire semble réalisable avec l'utilisation de radioisotopes d'énergie supérieure à 300 keV. Ces premiers résultats doivent être confirmés par des simulations plus réalistes (cibles de PMMA homogènes et hétérogènes). Des tests avec l'intégration progressive de tous les éléments de la caméra vont avoir lieu courant 2016 / Hadrontherapy is one of the modalities available for treating cancer. This modality uses light ions (protons, carbon ions) to destroy cancer cells. Such particles have a ballistic accuracy thanks to their quasi-rectilinear trajectory, their path and the finished profile maximum dose in the end. Compared to conventional radiotherapy, this allows to spare the healthy tissue located adjacent downstream and upstream of the tumor. One of this modality’s quality assurance challenges is to control the positioning of the dose deposited by ions in the patient. One possibility to perform this control is to detect the prompt gammas emitted during nuclear reactions induced along the ion path in the patient. A Compton camera prototype, theoretically allowing to maximize the detection efficiency of the prompt gammas, is being developed under a regional collaboration. This camera was the main focus of my thesis, and particularly the following points : i) studying, throughout Monte Carlo simulations, the operation of the prototype in construction, particularly with respect to the expected counting rates on the different types of accelerators in hadrontherapy ii) conducting simulation studies on the use of this camera in clinical imaging, iii) characterising the silicon detectors (scatterer) iv) confronting Geant4 simulations on the camera’s response with measurements on the beam with the help of a demonstrator. As a result, the Compton camera prototype developed makes a control of the localization of the dose deposition in proton therapy to the scale of a spot possible, provided that the intensity of the clinical proton beam is reduced by a factor 200 (intensity of 108 protons / s). An application of the Compton camera in nuclear medicine seems to be attainable with the use of radioisotopes of an energy greater than 300 keV. These initial results must be confirmed by more realistic simulations (homogeneous and heterogeneous PMMA targets). Tests with the progressive integration of all camera elements will take place during 2016