Siegen, Univ., Diss., 2004. / Computerdatei im Fernzugriff.

Siegen, University, Diss., 2004.

At the beginning of regular observations with the MAGIC telescope in December 2004, all but one extragalactic sources detected at very high energy (VHE) gamma-rays belonged to the class of high frequency peaked BL Lac (HBL) objects. This motivated a systematic scan of candidate sources to increase the number of known sources and to study systematically their spectral properties. As candidate sources for VHE emission, X-ray bright HBLs were selected from a compilation of active galactic nuclei. The MAGIC observations took place from December 2004 to March 2006. The declination of the objects was restricted to values between -1.2° and +58.8° corresponding to a maximum zenith distance lower than 30° at culmination. Since gamma-rays are absorbed by photo-pair production in low energy background radiation fields, the redshift of the investigated objects was limitetd to z < 0.3. Under the assumption that HBLs generally emit the same energy flux at 1keV as at 200GeV, only the brightest X-ray sources were observed, leading to a cut in the X-ray flux of F(1keV) > 2µJy}. Of the fourteen sources observed, four have been detected: 1ES 1218+304 (for the first time at very high energies), 1ES 2344+514 (strong detection in a state of low activity), Mrk 421 and Mrk 501. A hint of a signal on a 3-sigma-level from the direction of 1ES 1011+496 has been observed. In the meantime the object has been confirmed as a source of VHE gamma-rays by a second MAGIC observation campaign triggered by an optical outburst. For ten sources, upper limits on their integral fluxes above 200GeV have been calculated on a 99% confidence level. To cross calibrate the different data samples, collected during 14 months, bright muon ring images have been used, recorded as background events by the MAGIC telescope. Based on the development by Meyer (2003), the method has been improved and implemented into the automatic data analysis as a continuous monitor of the calibration and the point spread function of the optical system. While the ring images are generated by muons with small impact parameters, it could be shown that the image parameter distributions for muons with large impact parameters and gamma showers completely overlap, revealing these muons as the dominant background for gamma-ray observations below energies of 150GeV. The sample of HBLs (including all HBLs detected at VHE so far) has been investigated for correlations between broad-band spectral indices as determined from simultaneous optical, archival X-ray and radio luminosities, finding that the VHE emitting HBLs do not differ from the non-detected ones. In general the absorption corrected HBL gamma-ray luminosities at 200GeV are not higher than their X-ray luminosities at 1keV. Based on a complete X-ray BL Lac sample, the Hamburg/ROSAT X-ray BL Lac sample, the number of expected VHE sources has been estimated for the performed scan, finding a consistent number under the assumption of a 37% completeness of the investigated sample and a 1keV-to-200GeV luminosity ratio of 1.4. An upper limit on the omnidirectional flux at 200GeV has been calculated by interpolating the sum over the observed fluxes and upper limits. Within the uncertainties, the result is in agreement with the expectations derived from the X-ray luminosity function of BL Lacs. For 1ES 1218+304 and 1ES 2344+514 the lightcurves have been derived, showing evidence for flux variability on a time scale of 17 days and 24h, respectively. In the case of 1ES 1218+304 variability has been reported for the first time at VHEs. For both sources the energy spectra have been reconstructed and discussed in the context of their broad band spectral energy distribution (SED), using a single zone synchrotron self Compton model. The SEDs are well fitted by the simulation even though the very high peak frequencies at gamma-rays push the model to its limits. The parameters derived from the simulation are in good agreement with the parameters found for similar HBLs. / Zu Beginn der regulären Beobachtungen des MAGIC-Teleskops im Dezember 2004 gehörten alle extragalaktischen Quellen, bis auf eine, von denen sehr hochenergetische (VHE von engl. very high energy) Gammastrahlung detektiert wurde, zur Klasse der sogenannten "high frequency peaked BL Lac"-Objekte (HBL). Dies motivierte eine systematische Durchmusterung von Quellkandidaten mit dem Ziel die Anzahl der bekannten Quellen zu erhöhen und ihre spektralen Eigenschaften systematisch zu untersuchen. Als Quellkandidaten für VHE-Emission wurden röntgen-helle HBLs aus einer Kompilation von aktiven galaktischen Kernen ausgewählt. Die MAGIC-Beobachtungen fanden von Dezember 2004 bis März 2006 statt. Die Deklination der Objekte war begrenzt auf Werte zwischen -1.2° und +58.8°, entsprechend einer Zenitdistanz von weniger als 30° an der Kulmination. Da Gammastrahlung durch Photo-Paar-Produktion in niederenergetischen Hintergrundstrahlungsfeldern absorbiert wird, wurde die Rotverschiebung der untersuchten Objekte auf z < 0.3 begrenzt. Unter der Annahme, dass HBLs generell den selben Energieflu{ss} bei 1keV wie bei 200GeV emittieren, wurden nur die hellsten Röntgenquellen beobachtet, was zu einem Schnitt im Röntgenfluß von F(1keV) > 2µJy führte. Von den vierzehn beobachteten Objekten konnten vier detektiert werden: 1ES 1218+304 (zum ersten Mal im VHE-Bereich), 1ES 2344+514 (klare Detektion in einem Zustand niedriger Aktivität), Mrk 421 und Mrk 501. Ein Hinweis auf ein Signal auf einem 3-sigma-Level wurde aus der Richtung von 1ES 1011+496 beobachtet. Inzwischen ist das Objekt als eine Quelle hochenergetischer Gammastrahlung in einer zweiten MAGIC-Beobachtungskampagne, die durch einen hohen optischen Flusszustand ausgelöst wurde, bestätigt worden. Für die übrigen zehn Quellen wurden Obergrenzen an den integralen Fluss oberhalb von 200GeV mit einer statistischen Sicherheit von 99% berechnet. Um eine Kreuzkalibrierung verschiedener Datensätze, genommen innerhalb von 14 Monaten, durchzuführen, wurden helle Bilder von Myonenringen verwendet, die als Hintergrundereignisse vom MAGIC Teleskop aufgenommen werden. Basierend auf der Entwicklung von Meyer (2003) wurde die Methode verbessert und als ein kontinuierlicher Monitor der Kalibrierung sowie der Punktbildfunktion des optischen Systems in die automatische Datenanalyse implementiert. Während die Ringbilder von Myonen mit kleinen Stoßparametern erzeugt werden, konnte gezeigt werden, dass die Verteilungen der Bildparameter von Myonen mit großen Stoßparametern und der von Gammaschauern sich vollständig überlappen, was diese Myonen zum dominierenden Hintergrund für die Beobachtung von Gammastrahlung unterhalb einer Enegie von 150GeV macht. Das HBL-Sample (inklusive aller HBLs, die bisher bei sehr hohen Energien detektiert wurden) wurde nach Korrelationen zwischen den Breitband-Spektralindices untersucht, die durch simultane optische sowie durch Röntgen- und Radio-Leuchtkräfte aus früheren Beobachtungen bestimmt wurden, mit dem Ergebnis, dass die VHE-emittierenden HBLs sich nicht von den nicht-detektierten unterscheiden. Generell sind die absorptionskorrigierten Gammaleuchtkräfte der HBLs bei 200GeV nicht höher als ihre Röntgenleuchtkräfte bei 1keV. Basierend auf einem vollständigen Röntgen-BL Lac-Sample, dem Hamburg-ROSAT-Röntgen-BL Lac-Sample, wurde die Anzahl der zu erwartenden VHE-Quellen für die durchgeführte Durchmusterung abgeschätzt, wobei eine konsistente Anzahl erreicht wird, unter der Annahme einer Vollständigkeit des untersuchten Samples von 37% sowie ein 1keV-zu-200GeV Leuchtkraftverhältnis von 1,4. Eine Obergrenze an den gesammten Fluss pro Raumwinkel bei 200GeV wurde durch eine Interpolation der Summe der beobachteten Flüsse und Fluss-Obergrenzen berechnet. Innerhalb der Ungenauigkeiten ist das Ergebnis in Übereinstimmung mit den Erwartungen die aus der Röntgen-Leuchtkraftfunktion der BL Lacs abgeleitet wurde. Für 1ES 1218+304 und 1ES 2344+514 wurden die Lichtkurven bestimmt, welche Anzeichen von Flussvariabilität auf einer Zeitskala von 17 Tagen beziehungsweise 24 Stunden aufweisen. Im Falle von 1ES 1218+304 wurde zum ersten Mal zeitliche Variabilität bei sehr hohen Energien gesehen. Für beide Quellen wurden die Energiespektren rekonstruiert und im Kontext ihrer spektralen Energieverteilung (SED) diskutiert, wobei ein ein-Zonen-Synchrotron-selbst-Compton-Modell verwendet wurde. Die SEDs wurden von der Simulation gut beschrieben, auch wenn die sehr hohen Energien der Maxima im Gammabereich das Modell an seine Grenzen bringen. Die von der Simulation abgeleiteten Parameter stimmen gut mit den Parametern, die für ähnliche HBLs gefunden wurden überein.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Effekte der Paarbildung durch Wechselwirkung von hochenergetischer Gammastrahlung mit dem metagalaktischen FIR-UV Strahlungsfeld (MRF) untersucht. Einerseits hat die Paarbildung Folgen f"ur die beobachteten Spektren aktiver Galaxienkerne, andererseits hat sie auch einen gro"sen Einflu"s auf den extragalaktischen Gammastrahlungshintergrund. Es wurde ein verbesserte Version f"ur das Modell des FIR-UV Strahlungsfelds vorgestellt, mit dessen Hilfe aus beobachteten Daten intrinsische Blazarspektren ermittelt wurden. Im weiteren wurde ein auf EGRET-Blazaren basierendes Modell f"ur den Gammastrahlungshintergrund berechnet, in dem besonderer Wert auf die korrekte Beschreibung der Absorption prim"arer und der daraus resultierenden sekund"aren Gammastrahlung gelegt wurde. Schlie"slich wurde gezeigt, da"s der Beitrag von BL Lac Objekten zum Gammahintergrund nicht nur der fehlende Flu"s, sondern auch die spektrale Form der aus EGRET Beobachtungen gewonnenen Daten erkl"art werden kann, ohne den gegenw"artigen TeV-Daten zu widersprechen. / In this work we investigate the cosmological gamma-ray attenuation due to pair production in photon-photon scattering. Pair production has an effect on observed spectra of active galactic nuclei (AGN) and the extragalactic gamma-ray background. Using an updated model of the time-dependent metagalactic radiation field (MRF), intrinsic blazar spectra have been calculated from observed gamma-ray data. In the next step, a model based on EGRET-blazars has been calculated including the effect of gamm<a-ray absorption and reemission due to interactions with the MRF. Finally, we have shown that a component of BL Lac objects can account for the missing flux and is able to reproduce the spectral shape of the EGRET data.

Dunkle Materie ist ein zentraler Bestandteil der modernen Kosmologie, und damit von entscheidender Bedeutung für unser Verständnis der Strukturbildung im Universum. Das offensichtliche Fehlen von elektromagnetischer Wechselwirkung in Kombination mit unabhängigen Messungen der Energiedichte der baryonischen Materie über die Häufigkeit der primordialen leichten Elemente weisen auf eine nicht-baryonische Natur der Dunklen Materie hin. Die Wirkung der Dunklen Materie bei der Strukturbildung zeigt weiterhin dass ihre Konstituenten kalt sind, also zum Zeitpunkt des Gleichgewichts zwischen Strahlung und Materie eine Temperatur kleine als ihre Ruhemasse aufwiesen. Generische Kandidaten für das Dunkelmaterie-Teilchen sind stabile, schwach wechselwirkende Teilchen mit Ruhemassen von der Größenordnung der Skala der elektroschwachen Symmetriebrechung, wie sie zum Beispiel in der Supersymmetrie bei erhaltener R-Parität vorkommen. Derartige Teilchen frieren auf natürliche Weise im frühen Universum mit kosmologisch relevanten Reliktdichten aus. Die fortschreitende Strukturbildung im Universum führt dann zur Bildung von überdichten Regionen, in denen die Dunkelmaterie-Teilchen wiederum in signifikantem Ausmaß annihilieren können. Dadurch würde ein potentiell detektierbarer Fluß von Hochenergie-Teilchen einschließlich Photonen aus den instabilen Zwischenprodukten der Annihilationsereignisse erzeugt. Die Spektren dieser Teilchen würden Rückschlüsse auf die Masse und den Annihilations-Querschnitt als wichtige Größen zur mikrophysikalischen Identifikation der Dunkelmaterie-Teilchen erlauben. Darin liegt die zentrale Motivation für indirekte Suchen nach der Dunklen Materie. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt jedoch haben weder diese indirekten Suchen, noch direkte Methoden zur Suche nach elastischen Streuereignissen zwischen Dunkelmaterie-Teilchen und Atomkernen sowie Beschleunigerexperimente einen eindeutigen Nachweis von Dunkelmaterie-Teilchen erbracht. Das an sich stellt keine Überraschung dar, denn die zu erwartenden Signale sind aufgrund der schwachen Wechselwirkung der Teilchen nur von geringer Intensität. Im Falle der indirekten Suchen steht zu erwarten, dass selbst für die größten Massekonzentrationen im Universum die Stärke des Annihilationssignals der Dunklen Materie den durch astrophysikalische Quellen verursachten Untergrund nicht überschreitet. Die Möglichkeit der sicheren Unterscheidung zwischen einem möglichen Signal aus der Annihilation der Dunklen Materie und eben diesem Untergrund ist daher entscheidend für die Erfolgsaussichten der indirekten Suchen. In der vorliegenden Arbeit wird eine neuartige Suchstrategie ausgearbeitet und vorgestellt, deren zentrale Komponente die Auswahl von Beobachtungszielen aus einem breiten Massebereich, die Kontrolle der astrophysikalischen Untergründe, und die Einbeziehung von Daten aus mehreren Wellenlängenbereichen ist. Die durchgeführten Beobachtungen werden vorgestellt und interpretiert. Ein Ergebnis ist, dass die Unsicherheiten in Bezug auf die Verteilung der Dunklen Materie in Halos und deren individuelle Dichtestruktur, sowie in Bezug auf die mögliche Verstärkung des Annihilationssignales durch Substruktur, im Falle der massearmen Halos (wie zum Beispiel bei den Zwerggalaxien) größer ist als bei massereichen Halos, wie denen der Galaxienhaufen. Andererseits weisen die massereichen Halos größere Unsicherheiten in Hinblick auf die zu erwartenden rein astrophysikalischen Untergründe auf. Die Unsicherheiten in Bezug auf die bisher unbekannte Teilchenphysik jenseits des Standardmodells schließlich sind unabhängig von der Masse der beobachteten Halos. Im Zusammenspiel ermöglichen es diese unterschiedlichen Skalierungsverhalten, die globale Unsicherheit durch eine kombinierte Analyse der Beobachtungen von Halos mit verschiedenen Massen, die einen bedeutenden Teil der Masseskala abdecken, nennenswert zu reduzieren. Diese Strategie wurde im Rahmen des wissenschaftlichen Beobachtungsprogrammes des MAGIC Teleskopsystems implementiert. Es wurden Beobachtungen von Zwerggalaxien sowie des Virgo- und des Perseus-Galaxienhaufens durchgeführt. Die resultierenden Grenzen auf Gammastrahlung aus der Annihilation von schwach wechselwirkenden, massereichen Teilchen gehören zum Zeitpunkt dieser Niederschrift zu den stärksten Grenzen aus indirekten Suchen nach der Dunklen Materie. Die so gewonnenen Grenzen auf die Annihilations-Flüsse schränken einige in der Literatur diskutierte und durch aussergewöhnlich große Annihilations-Flüsse gekennzeichnete Szenarien stark ein. / Cold dark matter constitutes a basic tenet of modern cosmology, essential for our understanding of structure formation in the Universe. Since its first discovery by means of spectroscopic observations of the dynamics of the Coma cluster some 80 years ago, mounting evidence of its gravitational pull and its impact on the geometry of space-time has build up across a wide range of scales, from galaxies to the entire Hubble flow. The apparent lack of electromagnetic coupling and independent measurements of the energy density of baryonic matter from the primordial abundances of light elements show the non-baryonic nature of dark matter, and its clustering properties prove that it is cold, i.e. that it has a temperature lower than its mass during the time of radiation-matter equality. A generic particle candidate for cold dark matter are weakly interacting massive particles at the electroweak symmetry-breaking scale, such as the neutralinos in R-parity conserving supersymmetry. Such particles would naturally freeze-out with a cosmologically relevant relic density at early times in the expanding Universe. Subsequent clustering of matter would recover annihilation interactions between the dark matter particles to some extent and thus lead to potentially observable high-energy emission from the decaying unstable secondaries produced in annihilation events. The spectra of the secondaries would permit a determination of the mass and annihilation cross section, which are crucial for the microphysical identification of the dark matter. This the central motivation for indirect dark matter searches. However, presently neither the indirect searches, nor the complementary direct searches based on the detection of elastic scattering events, nor the production of candidate particles in collider experiments, has yet provided unequivocal evidence for dark matter. This does not come as a surprise, since the dark matter particles interact only through weak interactions and therefore the corresponding secondary emission must be extremely faint. It turns out that even for the strongest mass concentrations in the Universe, the dark matter annihilation signal is expected to not exceed the level of competing astrophysical sources. Thus, the discrimination of the putative dark matter annihilation signal from the signals of the astrophysical inventory has become crucial for indirect search strategies. In this thesis, a novel search strategy will be developed and exemplified in which target selection across a wide range of masses, astrophysical background estimation, and multiwavelength signatures play the key role. It turns out that the uncertainties regarding the halo profile and the boost due to surviving substructure are bigger for halos at the lower end of the observed mass scales, i.e. in the regime of dwarf galaxies and below, while astrophysical backgrounds tend to become more severe for massive dark matter halos such as clusters of galaxies. By contrast, the uncertainties due to unknown details of particle physics are invariant under changes of the halo mass. Therefore, the different scaling behaviors can be employed to significantly cut down on the uncertainties in observations of different targets covering a major part of the involved mass scales. This strategical approach was implemented in the scientific program carried out with the MAGIC telescope system. Observations of dwarf galaxies and the Virgo- and Perseus clusters of galaxies have been carried out and, at the time of writing, result in some of the most stringent constraints on weakly interacting massive particles from indirect searches. Here, the low-threshold design of the MAGIC telescope system plays a crucial role, since the bulk of the high-energy photons, produced with a high multiplicity during the fragmentation of unstable dark matter annihilation products, are emitted at energies well below the dark matter mass scale. The upper limits severely constrain less generic, but more prolific scenarios characterized by extraordinarily high annihilation efficiencies.

Zugl.: Hamburg, Univ., Diss., 2006

Heidelberg, Univ., Diss., 2000.

Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2008

Die Strahlenversprödung von Druckbehältermaterialien heutiger Kernreaktoren, die durch die anliegenden Neutronen- und Gammafelder verursacht wird, ist meistens durch die Neutronen dominiert. Durch experimentelle Befunde ist aber belegt, dass unter bestimmten Umständen die Gammastrahlung nicht zu vernachlässigen ist und sogar den Hauptbeitrag liefern kann. Die Materialforschung konnte bis heute nicht klären, mit welcher Effektivität beide Strahlungsarten zur Versprödung beitragen. Im Bericht sind die wesentlichen Ergebnisse, die im Vorhaben Nr. 150 1221 der Reaktorsicherheitsforschung erziellt wurden, dargelegt. Es hatte das Ziel, den aktuellen Kenntnisstand der Materialforschung aufzuarbeiten und auf dessen Grundlage für jeweils zwei russische und deutsche Reaktortypen den Einfluss der Gammastrahlung auf die Versprödung ihrer Druckbehälter abzuschätzen. Die notwendigen Neutronen/Gamma-Fluenzberechnungen wurden mit den SN-Programmen DORT/ANISN unter Verwendung der Gruppendatenbibliothek BUGGLE-96T und mit dem Monte-Carlo-Code MCNP4C mit den Kerndaten aus der Bibliothek ENDF/B-VI Rev. 3 durchgeführt. Beide Programm- und Datenpakete stellen den heutigen Entwicklungsstand der reaktordosimetrischen Fluenzberechnungen dar. Aus den erzielten Ergebnissen wurden die Konsequenzen für die Bewertung der Druckbehälterversprödungen abgeleitet, Fehlerbetrachtungen dazu durchgeführt und der Einfluss der Gammastrahlung auf reaktordosimetrische Messungen ausgewiesen.

University, Diss., 2006--Würzburg.