Spectral and spatial analysis of MAGIC telescope data in a standardized format

Abstract

The precise understanding of the emission and acceleration processes of very-high-energy radiation in the Universe is still an unsolved mystery today. To study the nature of very-high-energy gamma rays, Imaging Air Cherenkov Telescopes such as the MAGIC telescopes detect Cherenkov light produced by particle showers in the atmosphere. State-of-the-art spectral and spatial analyses of gamma-ray data rely on the open-source Python package Gammapy. Due to this new approach from the gamma-ray community, the input data needs to be provided in a standardized format which requires a combination of event lists with instrument response functions. In this thesis, a spectral analysis of the two TeV radio galaxy candidates TXS 0149+710 and 4C +39.12 observed by MAGIC is conducted. For this, standardized data is produced in an automated and reproducible way using the new database-driven tool AutoMAGIC, partly developed in the course of this thesis. Li&Ma significances of 0.32 𝜎 and 0.98 𝜎 are calculated for TXS 0149+710 and 4C +39.12, respectively. Therefore, only upper limits on the differential flux are given. For spatial analyses, background models have to be included in the standardized data, which is not covered by AutoMAGIC yet. To address this challenge, 1441 observations of off data are processed with AutoMAGIC and the background shape is characterized depending on the azimuth, zenith distance, and the reconstructed energy. Also, dependencies of the background rate on the zenith distance, the transmission of the atmosphere, the NSB and the galactic latitude are investigated. A new method is developed, which creates background models according to the new- found relations with the azimuth and zenith distance. These background models are compared with background models created from non-simultaneous off data with more conventional methods. Spectral and spatial analyses of Crab Nebula data are performed to validate the background methods.

Emissions- und Beschleunigungsprozesse von hochenergetischen Teilchen im Universum sind wei- testgehend noch nicht verstanden. Um hochenergetische Gammateilchen zu untersuchen, detektie- ren Tscherenkow-Teleskope, wie beispielsweise die MAGIC-Teleskope, Tscherenkow-Licht, welches durch Teilchenschauer in der Atmosphäre erzeugt wird. Um mit dem open-source Python Paket Gammapy reproduzierbare spektrale und räumliche Analysen von MAGIC-Beobachtungen durch- zuführen, werden die Daten in einem standardisierten Datenformat benötigt. Dieses Datenformat erfordert Listen mit Ereignissen, die als Gammaschauer klassifiziert wurden, sowie die zugehörigen Funktionen der Detektorantwort. Für die spektrale Analyse von MAGIC-Beobachtungen der beiden TeV Radiogalaxiekandidaten TXS 0149+710 und 4C +39.12 werden die standardisierten Daten auf automatisierte und reproduzierbare Weise mit der neuen, datenbankgestützten Software AutoMAGIC erzeugt, welche im Rahmen dieser Arbeit mitentwickelt wurde. Für TXS 0149+710 und 4C +39.12 werden Li&Ma-Signifikanzen von 0,32 𝜎 und 0,98 𝜎 berechnet, weshalb nur obere Grenzen des differentiellen Flusses angegeben werden. Für räumliche Analysen mit Gammapy müssen Hintergrundmodelle in den standardisierten Daten enthalten sein, was AutoMAGIC momentan noch nicht inkludiert. Um diese Herausfor- derung zu bewältigen, werden 1441 Beobachtungen mit AutoMAGIC prozessiert und die Form des Hintergrunds in Abhängigkeit von Azimut, Zenitdistanz und der rekonstruierten Energie charakterisiert. Außerdem werden die Abhängigkeiten der Hintergrundrate von der Zenitdistanz, der Atmosphärentransmission, dem Nachthimmelhintergrund und der galaktischen Breite unter- sucht. Eine neue Methode wird vorgestellt, welche aufgrund der neu gewonnenen Erkenntnisse Hintergrundmodelle in Abhängigkeit von Azimut und Zenitdistanz erstellt. Zum Vergleich werden zudem Hintergrundmodelle mit herkömmlichen Methoden erstellt. Zur Validierung der Methoden werden spektrale und räumliche Analysen von Krebsnebeldaten durchgeführt.