MAGIC observations with bright Moon and their application to measuring the VHE gamma-ray spectral cut-off of the PeVatron candidate Cassiopeia A

Abstract

Los rayos cósmicos son núcleos atómicos que constantemente bombardean la Tierra. Está largamente aceptado que estos núcleos con energías de hasta ~3 PeV son de origen Galáctico. Pero aún no se sabe dónde en la Galaxia ni cómo son acelerados. Durante muchos años la hipótesis más popular ha sido que son acelerados en remanentes de supernova. En esta tesis presento los detalles de una serie de observaciones de la joven remanente de supernova Cassiopeia A, uno de los candidatos más prometedores a ser un Pevatrón, un sistema capaz de acelerar rayos cósmicos hasta energías de PeV. Las observaciones fueron realizadas con los telescopios MAGIC, que observan rayos gamma de muy alta energía (VHE, E > 50 GeV), entre Diciembre de 2014 y Octubre de 2016, adquiriendo 191 horas de datos buena calidad. Acumular una gran cantidad de horas de observación era indispensable para obtener una medida precisa del espectro y fue posible gracias a la posibilidad de extender el tiempo activo de MAGIC operando los telescopios bajo una luminosidad lunar intensa. Trabajé en la optimización de las observaciones con Luna en MAGIC, tanto en el momento de operar los telescopios como en la etapa del análisis de los datos. Abordo los detalles de este desarrollo y evaluó su rendimiento. Con más del 70 % de las horas obtenidas con la Luna presente en el cielo, he podido obtener el espectro más preciso hasta ahora de Cassiopeia A en VHE. Por primera vez se encuentra evidencia de un corte a E = 3,5 (+1,6\—1,0) stat (+0,8\−0,9) sys TeV en el espectro. El modelado de dicho espectro sugiere que la mayoría de los rayos gamma emitidos pueden ser atribuidos a una población de protones de muy alta energía con un índice espectral de ~2.2 y un corte a ~10 TeV. Esto implica que, asumiendo que no hay una difusión significativa d elos rayos cósmicos en el entorno de la supernova, Cassiopeia A no puede ser un PeVatrón en este momento.

Cosmic rays are atomic nuclei that are constantly bombarding the Earth. It is widely accepted that these nuclei with energies up to ~3 PeV are of Galactic origin. But the question about where in the Galaxy and how they are accelerated still remains unanswered. For several years the most popular hypothesis has been that they are accelerated in supernova remnants. In this thesis I present the details of a deep observation campaign on the young supernova remnant Cassiopeia A, one of the most promising candidates to be a PeVatron, a system capable of accelerating cosmic rays up to PeV energies. The observations were performed with the MAGIC telescopes, that observe very high energy (VHE, E > 50 GeV) gamma rays, between December 2014 and October 2016, acquiring 191 hours of good-quality data. Accumulating a large amount of observation hours was indispensable to obtain a precise measurement of the spectrum and it was possible thanks to the possibility of extending the MAGIC duty cycle by operating the telescopes under bright moonlight. I worked in the optimization of moonlight observations with MAGIC, both during the operation of the telescopes and at the data analysis stage. I discuss the details of these developments and the resulting performance. With more than 70% of the data obtained under moonlight, I was able to obtain the most precise spectrum of Cassiopeia A to date at VHE. The obtained spectrum shows for the rst time 4:9 evidence of a cut-o at E = 3,5 (+1,6\—1,0) stat (+0,8\−0,9) sys TeV. The modelling of the spectrum suggests that the bulk of the gamma-rays emitted can be attributed to a population of high-energy protons with spectral index ~2.2 and energy cuto at ~10 TeV. This implies that, assuming there is no signicant cosmic-ray diusion, Cassiopeia A cannot be a PeVatron at its present age.