Bad moon rising?
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Date
2020
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Abstract
This dissertation presents a study on the influence of the night sky background (NSB) on the performance of the First G-APD Cherenkov Telescope (FACT), which is the first imaging atmospheric Cherenkov telescope (IACT) with a silicon photomultiplier (SiPM) camera. The up till now state-of-the-art, photomultiplier tubes (PMTs), can be easily and severely damaged by bright moonlight. SiPMs are an alternative robust photon detector for IACTs allowing for maximization of observation time by extending towards extreme NSB conditions, e.g., direct full moonlight. The performance has been determined on observations of the Crab Nebula from winter 2015/16 for all observed NSB levels. Dedicated Monte Carlo simulations have been tailored to the light conditions of the data sets by a new approach superimposing NSB measurements and simulated extensive air showers.
The used analysis chain features machine-learning and unfolding techniques to reconstruct the energy spectrum and has been optimized in the course of this study for various NSB levels. The dedicated Monte Carlo simulations are used to train machine-learning models and allow for evaluation of their performance and dependency on the NSB. In preparation for this analysis, a procedure to select optimum cleaning levels for the observed light conditions needed to be improved as introduced in this thesis. With these enhancements, the typical performance metrics for an IACT are evaluated. The Crab Nebula has been detected with significances of ≈( 5 σ)/√h up to an NSB level twelve times brighter than the darkest nights. At even higher NSB level, the source could still be detected with a significance of ≈ (3.4 σ)/√h at NSB levels corresponding to direct moonlight at a 60% lunar phase. Furthermore, it has been shown that the integral sensitivity of FACT degrades with the NSB level from 10% to 20% of the Crab flux necessary for detection with 5𝜎 significance in 50h effective observation time. The main effect of rising NSB has been identified as an increase of the energy threshold, which has also been evident in a shifted low-energy edge of the effective collection area as well as its general decline with the NSB. The Crab Nebula energy spectrum has been successfully reconstructed in an energy range of 450 GeV to 30 TeV for various NSB levels up to these light conditions. According to the rising energy threshold, the lower edge of the unfolded energy range had to be increased up to 600 GeV in order to unfold the energy spectrum at higher NSB levels. Other than the above-mentioned findings, no significant indication for systematic effects on the unfolded spectra have been found. This work shows furthermore that with these adjustments the spectra are still in good agreement with each other and also with reference spectra from MAGIC and First G-APD Cherenkov Telescope (FACT).
In summary, the performance values show promising results for observations with FACT at increased NSB levels. They underline the use of SiPMs as a potential alternative to other approaches for extending IACT observation times to bright light conditions.
Diese Dissertation präsentiert eine Studie über den Einfluss des Nachthimmelhintergrunds (NSB) auf die Leistungsfähigkeit des First G-APD Cherenkov Telescope (FACT), welches das erste abbildende atmosphärische Cherenkov-Teleskop (IACT) mit einer Silizium-Photomultiplier-Kamera (SiPM-Kamera) ist. Der bisherige Stand der Technik, Photomultiplier Tubes (PMTs), kann durch helles Mondlicht sehr leicht schwer beschädigt werden. SiPMs sind ein alternativer robuster Detektortyp für IACTs, der eine Maximierung der Beobachtungszeit durch Ausdehnung auf extreme NSB-Bedingungen ermöglicht, z. B. direktes Vollmondlicht. Die Leistungsfähigkeit wurde anhand von Beobachtungen des Krebsnebels aus dem Winter 2015/16 für alle beobachteten NSB-Niveaus bestimmt. Dedizierte Monte-Carlo-Simulationen wurden durch einen neuen Ansatz, der NSB-Messungen und simulierte ausgedehnte Luftschauer überlagert, auf die Lichtverhältnisse der Datensätze maßgeschneidert. Die verwendete Analysekette nutzt maschinelle Lernverfahren sowie Entfaltungstechniken zur Rekonstruktion des Energiespektrums. Sie wurde im Laufe dieser Studie für verschiedene NSB-Werte optimiert. Die dedizierten Monte-Carlo-Simulationen werden verwendet, um maschinelle Lernverfahren zu trainieren sowie um deren Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit vom NSB zu bewerten. In Vorbereitung auf diese Analyse musste ein Verfahren zur Auswahl optimaler Reinigungsstufen für die beobachteten Lichtverhältnisse verbessert werden, wie in dieser Arbeit vorgestellt wird. Mit diesen Verbesserungen werden die typischen Leistungskennzahlen für ein IACT evaluiert. Bis hin zu einem NSB-Niveau, das zwölfmal heller ist als die dunkelsten Nächte, wurde der Krebsnebel mit Signifikanzen von ≈( 5 σ)/√h detektiert. Bei noch höheren NSB-Niveaus konnte die Quelle noch mit einer Signifikanz von ≈ (3.4 σ)/√h nachgewiesen werden. Die zugehörigen NSB-Werte entsprechen dem direkten Mondlicht bei 60% Mondphase. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die integrale Sensitivität von FACT mit dem NSB-Niveau von 10% auf 20% des Krebsflusses abfallt, der für einen Nachweis mit 5𝜎 Signifikanz in 50h effektiver Beobachtungszeit notwendig ist. Die Hauptwirkung eines steigenden NSBs wurde als Anstieg der unteren Energieschwelle identifiziert, was sich auch in einer verschobenen Niedrigenergiekante der effektiven Sammelfläche sowie deren genereller Abnahme mit dem NSB äußert. Das Energiespektrum des Krebsnebels wurde in einem Energiebereich von 450 GeV bis 30 TeV für verschiedene NSB-Pegel erfolgreich rekonstruiert, bis hin zu den oben genannten Lichtverhältnissen. Entsprechend der ansteigenden Energieschwelle musste der untere Rand des entfalteten Energiebereichs auf bis zu 600 GeV erhöht werden, um das Energiespektrum bei höheren NSB-Pegeln zu entfalten. Abgesehen von den oben erwähnten Befunden wurden keine signifikanten Hinweise auf systematische Effekte hinsichtlich der entfalteten Spektren gefunden. Diese Arbeit zeigt überdies, dass die Spektren mit diesen Anpassungen weiterhin in guter Übereinstimmung miteinander und auch mit Referenzspektren von MAGIC und FACT sind. Zusammenfassend zeigen die Leistungswerte vielversprechende Ergebnisse für Beobachtungen mit FACT bei erhöhten NSB-Pegeln. Sie unterstreichen die Verwendung von SIPMs als eine potenzielle Alternative zu anderen Ansätzen zur Ausdehnung der IACT-Beobachtungszeiten auf helle Lichtverhältnisse.
Diese Dissertation präsentiert eine Studie über den Einfluss des Nachthimmelhintergrunds (NSB) auf die Leistungsfähigkeit des First G-APD Cherenkov Telescope (FACT), welches das erste abbildende atmosphärische Cherenkov-Teleskop (IACT) mit einer Silizium-Photomultiplier-Kamera (SiPM-Kamera) ist. Der bisherige Stand der Technik, Photomultiplier Tubes (PMTs), kann durch helles Mondlicht sehr leicht schwer beschädigt werden. SiPMs sind ein alternativer robuster Detektortyp für IACTs, der eine Maximierung der Beobachtungszeit durch Ausdehnung auf extreme NSB-Bedingungen ermöglicht, z. B. direktes Vollmondlicht. Die Leistungsfähigkeit wurde anhand von Beobachtungen des Krebsnebels aus dem Winter 2015/16 für alle beobachteten NSB-Niveaus bestimmt. Dedizierte Monte-Carlo-Simulationen wurden durch einen neuen Ansatz, der NSB-Messungen und simulierte ausgedehnte Luftschauer überlagert, auf die Lichtverhältnisse der Datensätze maßgeschneidert. Die verwendete Analysekette nutzt maschinelle Lernverfahren sowie Entfaltungstechniken zur Rekonstruktion des Energiespektrums. Sie wurde im Laufe dieser Studie für verschiedene NSB-Werte optimiert. Die dedizierten Monte-Carlo-Simulationen werden verwendet, um maschinelle Lernverfahren zu trainieren sowie um deren Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit vom NSB zu bewerten. In Vorbereitung auf diese Analyse musste ein Verfahren zur Auswahl optimaler Reinigungsstufen für die beobachteten Lichtverhältnisse verbessert werden, wie in dieser Arbeit vorgestellt wird. Mit diesen Verbesserungen werden die typischen Leistungskennzahlen für ein IACT evaluiert. Bis hin zu einem NSB-Niveau, das zwölfmal heller ist als die dunkelsten Nächte, wurde der Krebsnebel mit Signifikanzen von ≈( 5 σ)/√h detektiert. Bei noch höheren NSB-Niveaus konnte die Quelle noch mit einer Signifikanz von ≈ (3.4 σ)/√h nachgewiesen werden. Die zugehörigen NSB-Werte entsprechen dem direkten Mondlicht bei 60% Mondphase. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die integrale Sensitivität von FACT mit dem NSB-Niveau von 10% auf 20% des Krebsflusses abfallt, der für einen Nachweis mit 5𝜎 Signifikanz in 50h effektiver Beobachtungszeit notwendig ist. Die Hauptwirkung eines steigenden NSBs wurde als Anstieg der unteren Energieschwelle identifiziert, was sich auch in einer verschobenen Niedrigenergiekante der effektiven Sammelfläche sowie deren genereller Abnahme mit dem NSB äußert. Das Energiespektrum des Krebsnebels wurde in einem Energiebereich von 450 GeV bis 30 TeV für verschiedene NSB-Pegel erfolgreich rekonstruiert, bis hin zu den oben genannten Lichtverhältnissen. Entsprechend der ansteigenden Energieschwelle musste der untere Rand des entfalteten Energiebereichs auf bis zu 600 GeV erhöht werden, um das Energiespektrum bei höheren NSB-Pegeln zu entfalten. Abgesehen von den oben erwähnten Befunden wurden keine signifikanten Hinweise auf systematische Effekte hinsichtlich der entfalteten Spektren gefunden. Diese Arbeit zeigt überdies, dass die Spektren mit diesen Anpassungen weiterhin in guter Übereinstimmung miteinander und auch mit Referenzspektren von MAGIC und FACT sind. Zusammenfassend zeigen die Leistungswerte vielversprechende Ergebnisse für Beobachtungen mit FACT bei erhöhten NSB-Pegeln. Sie unterstreichen die Verwendung von SIPMs als eine potenzielle Alternative zu anderen Ansätzen zur Ausdehnung der IACT-Beobachtungszeiten auf helle Lichtverhältnisse.
Description
Table of contents
Keywords
FACT, Astroparticle physics, Gamma-ray astronomy, Cherenkov astronomy, SiPMs moon observations, Night sky background, Machine learning