京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18075号 / 理博第3953号 / 新制||理||1570(附属図書館) / 30933 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 中村 卓史, 教授 柴田 大, 教授 畑 浩之 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18791号 / 理博第4049号 / 新制||理||1582(附属図書館) / 31742 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 中村 卓史, 教授 谷森 達, 教授 田中 貴浩 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第20172号 / 理博第4257号 / 新制||理||1612(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 谷森 達, 教授 永江 知文, 教授 鶴 剛 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第20909号 / 理博第4361号 / 新制||理||1626(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 柴田 大, 教授 井岡 邦仁, 教授 川合 光 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Neutron-rich rare-earth nuclei around the maximum of collectivity are predicted to exist with an extremely stable intrinsic configuration in their ground-state structure. Due to the high degree of axial symmetry and large deformation, these nuclei are also excellent candidates for having long-lived high-K isomers. The present work concerns a study of the structure of the yrast bands and a search for isomers in the neutron-rich 68Er isotopes. Excited states of 68Er isotopes were populated via multi-nucleon transfer reactions. A 859 MeV 136Xe-beam was used to bombard a 170Er-target. The experimental setup consisted of the high-resolution γ-ray spectrometer AGATA coupled to the heavy-ion magnetic spectrometer PRISMA. The experiment collected 2 TB of useful data corresponding to 3 days of effective beam time. Beam-like fragments were identified by the PRISMA specrometer placed at the grazing angle of 44 degrees. PRISMA allows for Z, A and q identification as well as TOF and velocity vector determination. This is required for the Doppler correction of the emitted γ rays detected in time coincidence with AGATA. A good Z and very clean A separation has been achieved in PRISMA. Making use of two-body kinematics, Doppler corrected γ-ray spectra for target-like fragments were obtained as well. Due to the novel techniques of PSA and γ-ray tracking, AGATA provided high-quality γ-ray spectra for both beam-like xenon and target-like erbium isotopes. Known yrast bands and isomeric states in neutron-rich erbium isotopes were observed. A candidate for the decay of an isomeric state with Eγ=184 keV  in 173Er, which has no previously known excited states, was identified.

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Multi-messenger astronomy is a very hot topic in the astrophysical community. A messenger is something that carries information. Different astrophysical messenger types are photons, cosmic rays, neutrinos, and gravitational waves. They all carry unique and complementary information to one another. The idea with multi-messenger astronomy is that the more different types of messengers one can obtain from the same event, the more complete the physical picture becomes. In this thesis I study the multi-messenger emission from gamma-ray bursts (GRBs), the most luminous events known in the Universe. Specifically, I study the connection of GRBs to extremely energetic particles called ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs). UHECRs have unknown origin despite extensive research. GRBs have long been one of the best candidates for the acceleration of these particles but a firm connection is yet to be made. In Paper I and Paper II, we study the possible GRB-UHECR connection by looking at the electromagnetic radiation from electrons that would also be accelerated together with the UHECR. My conclusion is that the signal from these electrons does not match current GRB observation, disfavoring that a majority of UHECRs comes from GRBs. / ”Multi-messenger astronomy” (mångbudbärarastronomi, fri översättning) är ett väldigt aktuellt område inom astrofysiken just nu. En meddelare är någonting som bär på information. Olika meddelartyper inom astrofysiken är fotoner, kosmisk strålning, neutriner och gravitations vågor. Dessa har alla unik och olika typ av information som kompletterar varandra. Idén bakom multi-meddelare-astronomi är att ju fler olika meddelartyper vi kan upptäcka från samma event, desto mer komplett blir vår fysikaliska tolkning. I denna avhandling studerar jag multi-meddelare emission från gammablixtar (GRBs), de mest ljusstarka företeelser vi känner till i Universum. Mer specifikt, så studerar jag kopplingen mellan GRBs och ultraenergetisk kosmisk strålning (UHECRs). Ursprunget till UHECRs är fortfarande okänt trots långt pågående forskning. GRBs har länge varit en av de mest lovande accelerationskandidaterna men än så länge finns inga fasta bevis. I Paper I och Paper II studerar vi den möjliga GRB-UHECR kopplingen genom att studera den elektromagnetiska strålningen från elektronerna som även de skulle bli accelererade tillsammans med UHECRs. Min slutsats är att strålningen från elektronerna inte matchar observationer från GRBs, vilket talar emot att en majoritet av UHECRs kommer från GRBs.

Although the contribution to the Isotropic Gamma-Ray Background (IGRB) from unresolved extragalactic objects has been studied for many years, its exact composition and origin are as of yet unknown. It is suspected that diffuse processes such as dark matter annihilation contribute to the total IGRB, as well as unresolved gamma-ray emission from Active Galactic Nuclei (AGN), including radio galaxies. Radio galaxies are a source class that emit strongly at radio wavelengths, some of which have also been detected at gamma-ray wavelengths by the Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT), and by very high energy gamma-ray Cherenkov telescopes. It is thought that due to the orientation of their jets, radio galaxies are detected less numerously at gamma-ray energies than blazars. Furthermore, only a small number of radio galaxies have been detected at gamma-ray energies though it is considered that others do as well. It is for these reasons that gamma-ray emitting radio galaxies, an interesting and elusive class of objects, are selected for investigation in this work. In order to reach the goal of better understanding diffuse processes, it is necessary to model the radio galaxy spectral energy distributions (SEDs). As AGN emission is variable with respect to time, it is critical to use simultaneously collected observations. Calculation of the SED based on simultaneous, multiwavelength data across the electromagnetic spectrum produces a reasonably accurate representation of the state of an object in a given time range. The gamma-ray emitting radio galaxies M 87, NGC 1275, Pictor A, and Centaurus A are selected here based on having been detected in very high energy gamma-rays by Cherenkov telescopes, as well as in other wavelengths. A uniquely consistent analysis approach is applied, in which each radio galaxy is analyzed the same way using simultaneously collected data. This approach sets it apart from other studies. Fermi-LAT raw data for each source in the sample is analyzed in time ranges which directly overlap the very high energy gamma-ray Cherenkov observations, as well as several other wavelength ranges. A synchrotron self-Compton (SSC) model is applied, which provides accurate treatment of synchrotron and inverse-Compton processes occurring in the jets of AGN, while estimating physical characteristics of the source. It is found that the spectra of M 87, NGC 1275, Pictor A, and Centaurus A can be well described by the same SSC model, producing values for the physical characteristics such as the doppler factor and magnetic field, which are relatively consistent with each other. In order to characterize the diffuse emission from dark matter self-annihilation, the radio galaxy SEDs are also fit with a dark matter model, resulting in an estimated dark matter particle mass of around 4.7 TeV which lies within predicted ranges. The highly dense regions near the black holes of AGN provide the optimal conditions for detecting these signatures. It is also found here that discrepancies between the expected emission and the observed emission in the spectra of some radio galaxies can be explained using the combined SSC and dark matter model. As emission from dark matter annihilation is expected to remain steady with respect to time, a key feature of this work is the novelty of the combined SSC and dark matter model, and the finding that dark matter characteristics may be revealed through similar multiwavelength analyses during future low emission states of the AGN. The radio galaxy sample is then extended to include all gamma-ray emitting radio galaxies detected by the Fermi-LAT, and a calculation of the core radio, total radio, and gamma-ray luminosities is followed through. A future step in extending this work would be to estimate the gamma-ray luminosity function of radio galaxies and their percent contribution to the total IGRB, based on the widely agreed upon assumption that a reasonable estimate of the gamma-ray luminosity function of a population can be attained by appropriately scaling its radio luminosity function, as gamma-ray luminosities and radio luminosities are strongly linearly correlated. This work has also provided the basis for such a calculation by outlining the theory and initial steps. It is the hope that the vast scope of the gathered data, its simultaneity, and the use of consistent analysis methods across the sample, will provide an improved foundation for a future calculation of the contribution of this population to the IGRB, as well as encourage stricter requirements for multiwavelength studies. / Der Ursprung, sowie die exakte Zusammensetzung des isotropischen Gammastrahlen-Hintergrunds (IGRB), sind trotz jahrelanger Studien über den Einfluss unaufgelöster extragalaktischer Objekte, nicht abschließend geklärt. Es wird für möglich gehalten, dass diffuse Prozesse, wie z.B. die Annihilation dunkler Materie, sowie bisher nicht detektierte Gammastrahlen-Emission aus aktiven Galaxiekernen (AGN), wie zum Beispiel Radiogalaxien, dazu beitragen. Radiogalaxien gehören zu der Gattung der Quellen, die stark im Radiowellenbereich emittieren. Einige dieser Galaxien wurden auch im Wellenlängenbereich von Gammastrahlung mittels des Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT) und für sehr energiereiche Gammastrahlung mittels Cherenkov-Detektoren nachgewiesen. Es wird davon ausgegangen, dass die kleinere Anzahl an nachgewiesenen Radiogalaxien im Gammastrahlenbereich, verglichen mit der Anzahl an nachgewiesenen Blazaren, auf die Orientierung ihrer Jets zurückzuführen ist. Des Weiteren wurde bisher nur eine kleine Anzahl an Radiogalaxien im Energiebereich der Gammastrahlung nachgewiesen, obwohl davon auszugehen ist, dass der Nachweis auch für weitere Galaxien möglich ist. Aus diesen Gründen werden Gammastrahlung emittierende Radiogalaxien, eine interessante und schwer auffindbare Klasse an Objekten, zur Untersuchung im Rahmen dieser Arbeit ausgewählt. Zur Verbesserung des Verständnisses diffuser Prozesse ist eine Modellierung der spektralen Energiedichteverteilung (SED) notwendig. Da die Emission von AGN zeitlich variiert, ist es wichtig simultan aufgezeichnete Daten für die Analyse zu verwenden. Die Berechnung der spektralen Energiedichteverteilung, basierend auf zeitgleich aufgezeichneten Daten für eine Vielzahl an Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums, liefert eine hinreichend genaue Beschreibung des Zustandes eines Objektes innerhalb eines gegebenen Zeitraumes. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Gammastrahlung emittierenden Radiogalaxien M 87, NGC 1275, Pictor A und Centaurus A, da diese mittels Cherenkov-Teleskopen im Bereich hochenergetischer Gammastrahlung, sowie auch in anderen Wellenlängenbereichen, nachgewiesen wurden. Es wird eine, in dieser Form erstmals angewandte, konsistente Untersuchung durchgeführt, bei der jede Radiogalaxie auf identische Weise, mittels zeitgleich aufgezeichneter Daten, analysiert wird. Dieser Ansatz unterscheidet diese Arbeit von vergleichbaren Studien. Die Fermi-LAT Rohdaten für jede Quelle werden für die Zeiträume analysiert, in denen diese direkt mit der Beobachtung hochenergetischer Gammastrahlung durch Cherenkov-Teleskope, sowie darüber hinaus mit weiteren Wellenlängenbereichen, überlappen. Das Synchrotron Self-Compton (SSC) Modell wird der Analyse zu Grunde gelegt und ermöglicht eine akkurate Beschreibung, der im AGN Jet auftretenden, Synchrotron Prozesse und inversen Compton-Streuung, sowie die Abschätzung physikalischer Charakteristiken der Quelle. Es stellt sich heraus, dass die Spektren von M87, NGC 1275, Pictor A und Centaurus A mit demselben SCC Modell gut beschrieben werden können und relativ konsistente Werte für physikalische Größen, wie zum Beispiel den Doppler-Faktor oder die Magnetfeldstärke liefern. Zur genaueren Charakterisierung der aus der Annihilation dunkler Materie resultierenden diffusen Emission, werden die SED der Radiogalaxien zusätzlich mit einem Modell für dunkle Materie gefittet. Die daraus resultierende, geschätzte Teilchenmasse für dunkle Materie liegt mit 4.7 TeV innerhalb des vorhergesagten Bereiches. Die hochdichten Regionen in der Nähe der schwarzen Löcher des AGN liefern ideale Voraussetzungen zur Detektion dieser Signaturen. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass etwaige Unterschiede zwischen der erwarteten und der beobachteten Emission in den Spektren einiger Radiogalaxien mittels einer Kombination aus SSC Modell und dunkler Materie Modell erklärt werden können. Unter der Annahme, dass die der Annihilation dunkler Materie zu Grunde liegende Emission zeitlich konstant bleibt, stellen zum einen die Kombination des SSC- und dunkler Materie Modells, sowie die Erkenntnis, dass Charakteristiken dunkler Materie durch ähnliche Multi-Wellenlängen-Experimente während zukünftiger, emissionsarmer Zustände gefunden werden können, die wesentlichen Ergebnisse dieser Arbeit dar. Das Sample der Radiogalaxien wird anschließend erweitert, so dass es alle vom Fermi-LAT detektierte und Gammastrahlung emittierende Radiogalaxien umfasst. Im Anschluss daran wird eine Berechnung der aus dem Kernbereich stammenden, und der totalen Radioluminosität, sowie der Gammastrahlungs-Luminosität durchgeführt. Ein künftiger Schritt zur Erweiterung dieser Arbeit wäre die Abschätzung der Gammastrahlungs-Luminositätsfunktion von Radiogalaxien und deren prozentualer Beitrag zum totalen IGRB, basierend auf der weitläufig akzeptierten Annahme, dass eine vernünftige Abschätzung der Gammastrahlungs-Luminositätsfunktion einer Population mittels einer angemessenen Skalierung ihrer Radio-Luminositätsfunktion erreicht werden kann, da die Gammastrahlungs-Luminosität und die Radioluminosität stark miteinander korrelieren. Diese Arbeit hat die hierfür benötigten Grundlagen für diese Art von Berechnung gelegt, indem sie die Theorie und die ersten Schritte darlegt. Es ist die Hoffnung, dass der große Umfang der zusammengetragenen Daten, deren Simultanität, und die Anwendung einer konsistenten Analysemethode für das gesamte Sample eine verbesserte Grundlage für zukünftige Berechnungen des Beitrages dieser Population zum IGRB leistet, sowie strengere Anforderung für Multi-Wellenlängen-Experimente.

Das Prompt Gamma-Ray Timing (PGT) ist eine vielversprechende Methode für die in vivo Reichweite-Verifikation in der Protonentherapie. Dabei wird mit unkollimierten Szintillationsdetektoren die Zeit-Verteilung prompter Gammastrahlung, in der die Protonenreichweite enthalten ist, gemessen. In dieser Arbeit wurden PGT-Spektren einer Bestrahlung eines Plastikphantoms mit verschiedenen Dicken an Luftkavitäten analysiert. Neben der Optimierung der Datenverarbeitung wurden Methoden für die Selektion statistischer Parameter implementiert und die resultierenden linearen Modelle mit denen der bisher verwendeten Parameter verglichen. Zusätzlich wurde der Einfluss der Spotakkumulation und die Energieabhängigkeit der Modelle untersucht. Nachdem die Datenverarbeitung optimiert werden konnte, zeigte der Vergleich der Modelle eine deutlich bessere Vorhersage der neu entwickelten Modelle (R2 > 0;5) im Vergleich zu den bisher verwendeten Modellen (R2 < 0;1), wobei eine weitere Verbesserung durch die Akkumulation von Spots erreicht werden konnte (R2 > 0;9). Weiterhin zeigte die Parameterselektion eine deutlich bessere Vorhersagekraft der energiespezifischen (RMSE < 1;8 mm) gegenüber den energieunabhängigen Modellen (RMSE > 3 mm). Die gewonnenen Erkenntnisse leisten einen wesentlichen Beitrag zur klinischen Implementierung der PGT-Methode. / Prompt Gamma-Ray Timing (PGT) is a promising method for in vivo range verification in proton therapy. The distribution of prompt gamma radiation, in which the proton range is encoded, is measured in a time-resolved manner with uncollimated scintillation detectors. In this work, PGT spectra acquired during irradiation of a plastic phantom with air cavities of different thicknesses were analyzed. In addition to the optimization of the data processing, methods for parameter selection were implemented and the resulting linear models were compared with those of previously used parameters. In addition, the influence of a spot accumulation and the energy dependency of the models were examined. After the data preprocessing could be optimized, the newly developed models showed a strongly improved predictive power (R2 > 0;5) compared to the previously used models (R2 < 0;1) and a further improvement could be achieved by the accumulation of spots (R2 > 0;9). In addition the parameter selection showed better predictive power of the energy-specific models (RMSE < 1;8 mm) compared to the energy-independent models (RMSE > 3 mm). The knowledge gained can contribute to the clinical implementation of the PGT method.

Gamma-ray bursts (GRBs) are some of the most energetic events in the universe. Shocks occurring below the photosphere are likely radiation mediated shocks (RMSs) and are suspected to shape the spectra. Due to computational costs of simulating RMSs, models had not been fitted to data and a faster model was needed. The Kompaneets RMS Approximation (KRA) is an analog model of RMSs, creating spectra which are identical to full RMS simulation spectra and it is significantly faster. For a sample of short GRBs I found that spectra are very hard and close to a non-dissipative photosphere (NDP). Therefore any trace of energy dissipation is lost to thermalization and many KRA solutions are possible with statistics similar to the Band model. A sample of long GRBs have typical spectra, i.e. spectra much broader than a blackbody (BB) and the KRA can model these spectra very well. Statistically, KRA is as good as the Band model and significantly better for GRB211211. I also found two spectral shapes describing observed data equally well. First, a broadened BB for a steady-state outflow, and secondly, optically shallow shocks for a non steady-state outflow. To distinguish between these solutions, upcoming detectors with lower-energy data are important. In conclusion, the KRA can reproduce photospheric spectra altered by a RMS, and these spectra can explain observed GRB spectra. If the spectrum is not thermalized, information about the properties of the shock can be deduced from observed GRB spectra. / Gamma-blixtar är några av de mest energirika händelserna i universum. Chocker som uppkommer under fotosfären är troligtvis strålnings medlade chocker (RMSer) och misstänks forma spektra. Höga beräkningsmässiga kostnader för simuleringar av RMSer har lett till att modeller inte har anpassats till data. The Kompaneets RMS Approximation (KRA) är en analog modell av RMSer som skapar identiska spektra och är mycket snabbare. För ett urval av korta gamma-blixtar hittar jag väldigt hårda spektra, nära en icke-dissiperad fotosfär (NDP). Alla spår av dissipering har därför försvunnit p.g.a. termaliseringen och många olika KRA lösningar kan anpassa dessa spektra lika bra som Band modellen. Ett urval av långa gamma-blixtar har typiska spektra, d.v.s. spektra mycket bredare än svartkropp spektra och KRA kan anpassa dessa spektra väldigt bra. Statistiskt är KRA lika bra som Band modellen och t.o.m. mycket bättre för GRB211211. Jag har också hittat två olika former på spektra som anpassar data lika bra. Först, en breddad svartkropp för ett utflöde i jämvikt och den andra, optiskt grunda shocker för ett utflöde som inte är i jämvikt. För att urskilja mellan dessa lösningar är framtida detektorer med data för lägre energies viktiga. För att sammanfatta, KRA kan reproducera fotosfäriska spektra påverkade av en RMS och dessa spektra can förklara observerade gamma-blixt spektra. Om spektrumet inte är termaliserat kan information om chockens egenskaper hämtas från observerade gamma-blixt spektra.