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Improvement in the gamma-ray energy reconstruction of MAGIC and impact on the spectral analysis of the first Gamma Ray Burst detected at TeV energies
Improvement in the gamma-ray energy reconstruction of MAGIC and impact on the spectral analysis of the first Gamma Ray Burst detected at TeV energies
This thesis is about the development of a novel methodology, the Random Forest based Energy reconstruction (RF-Erec), to determine the energy of the very high energy (VHE, energy larger than 50 GeV) gamma-ray events detected with the MAGIC telescopes. RF-Erec improves the energy reconstruction of gamma-rays, and thereby extends the capabilities of the MAGIC telescopes, compared to the previous methodology for energy reconstruction, which is based on Look-Up-Tables (LUTs-Erec), and has been used over the last decade. When the energy reconstruction is evaluated in the energy resolution, which is the width of Gaussian fit to the distribution of estimation error normalised with energy, RF-Erec is better by a factor more than around 2 in a very wide range of the energies and pointing Zenith distances (Zd). Such improvement is even larger for high Zd observations. Moreover, the standard deviation of the error distribution is substantially smaller, as the long tail seen in the LUTs-Erec disappears in the RF-Erec. This means the energy migration matrix becomes tighter, and the energy estimation of each event becomes more robust. Consequently, RF-Erec enables a reliable spectral measurement even in situations with poor statistics, an event-wise analysis like for Lorentz Invariance Violation (LIV) studies, and a search for anomalies in the spectral shape. The benefit is not only a better accuracy, but also a wider applicability, such as for observations at high Zenith distance, and morphological together with spectral studies. As a side-product of my studies, I also identified the major source of systematic uncertainties in the LUTs-Erec, clarified its mechanism, and confirmed that it is insignificant in the RF-Erec. I evaluated the actual performance improvement in the spectrum reconstruction for different realistic scenarios. One of the cases with the biggest improvement is on a high Zd observation of a gamma-ray source with very steep spectrum. In such spectrum, the energy mis-reconstruction error, namely the spillover to higher energies, complicates substantially the spectral analysis and reduces its reliability. While spillover extends to at most factor of a few in the RF-Erec, it extends to more than one order of magnitude in the LUTs-Erec. Therefore the high energy events estimated using LUTs-Erec are dominated by spillover events, but the RF-Erec keeps the fraction of genuine events to be more than half. I show that the RF-Erec has better ability than LUTs-Erec in estimating the slope and amplitude, as well as more reliable and consistent results among the available strategies for spectral analysis. I have implemented this novel methodology into the standard MAGIC Analysis and Reconstruction Software (MARS). It is now available to the MAGIC collaboration and, starting from year 2020, regarded as part of the standard data analysis framework. The first scientific application of the novel energy estimation was on the data from the MAGIC observations of the gamma-ray burst (GRB) GRB 190114C. It was the first GRB detected significantly at VHE gamma-rays, after more than 15 years of intense searches with the MAGIC telescopes. The spectrum has the steepest shape over one decade in energy (from 0.2 TeV to 2 TeV) that has been ever measured with MAGIC, and with any VHE gamma-ray instrument to date. The steep spectrum is due to the absorption by the Extragalactic Background Light (EBL), that reduces the gamma-ray flux by factors of several hundreds at the highest energies. Moreover the observation was performed at high Zd. Under these observing conditions, the previous method for energy reconstruction, LUTs-Erec, would not have been able to provide a reliable characterization of the VHE gamma-ray spectral shape from GRB 190114C. However, based on my novel methodology, the MAGIC GRB data were analyzed successfully, leading to two Nature papers reporting this historical discovery (Nature, vol.575, p455-458 and p459-463). The rich photon statistics enabled the characterization of the VHE spectra on timescales as short as 1 minute. The analysis revealed the existence of a new emission component extending to about 2 TeV. This new component could be explained as SSC from the external forward shock of the GRB outflow, which has been long predicted by several theorists. The data reveal that the SSC component has approximately the same power-law temporal behavior as the synchrotron component that decreases as the shock decelerates, and that it accounts for substantial amount of the kinetic energy deposited in the outflow from the GRB. Despite the technical difficulties in detecting TeV gamma-rays from GRBs, these results indicate that the SSC emission may be a common process among GRBs, which implies the need to substantially update our knowledge about these extreme phenomena., Diese Arbeit behandelt die Entwicklung einer neuartigen Methodik (Random Forest basierte Energierekonstruktion, RF-Erec) zur Bestimmung der Energie von sehr hochenergetischen (VHE, Energie mehr als 50 GeV) Gamma-Strahlen-Ereignissen, welche mit den MAGIC-Teleskopen aufgezeichnet wurden. RF-Erec verbessert die Energierekonstruktion von Gamma-Strahlen und erweitert damit die Möglichkeiten der MAGIC-Teleskope im Vergleich zur früheren Methodik der Energierekonstruktion, die auf Lookup-Tabellen (LUTs-Erec) basiert und in den letzten zehn Jahren verwendet wurde. Wenn die Energierekonstruktion in Bezug auf die Energieauflösung bewertet wird, d.h. der Breite der Gaußschen Anpassung an die Verteilung des mit der Energie normalisierten Schätzfehlers, ist RF-Erec in einem sehr breiten Energie- und Beobachtungszenitwinkelbereich (Zd) um einen Faktor mehr als 2 besser, und diese Verbesserung ist bei Beobachtungen unter hohen Zd sogar noch größer. Außerdem ist die Standardabweichung der Fehlverteilung wesentlich kleiner, da der lange Ausläufer, der in der LUTs-Erec zu sehen sind, in der RF-Erec verschwindet. Dies bedeutet, dass die Energiemigrationsmatrix schmaler wird und die Abschätzung der Energie jedes Ereignisses robuster wird. Folglich ermöglicht RF-Erec eine zuverlässige Messung des Spektrums auch in Situationen mit niedriger Statistik, eine ereignisbezogene Analyse wie für Untersuchungen zur Verletzungen der Lorentzinvarianz (LIV) und eine Suche nach spektralen Anomalien. Der Vorteil ist nicht nur eine verbesserte Genauigkeit, sondern auch eine breitere Anwendbarkeit, wie z.B. für Beobachtungen unter hohen Zenitwinkeln und gemeinsame morphologische und spektrale Untersuchungen. Als Nebenprodukt meiner Forschung identifizierte ich auch die Hauptquelle systematischer Unsicherheiten in der LUTs-Erec, legte ihren Mechanismus dar und bestätigte, dass dieser in der RF-Erec unbedeutend ist. Ich bewertete die tatsächliche Leistungsverbesserung bei der Rekonstruktion der Spektren für verschiedene realistische Szenarien. Einer der Fälle mit der größten Verbesserung ist die Beobachtung einer Gamma-Strahlenquelle mit sehr steilem Spektrum unter hohen Zd-Winkeln. Für ein solches Spektrum erschwert die falsche Energierekonstruktion, genauer gesagt das Verschieben von Ereignissen in Bins höherer Energie, die Spektralanalyse erheblich und verringert ihre Zuverlässigkeit. Während sich die Anzahl falsch zu richtig rekonstruierten Ereignissen bei der RF-Erec höchstens auf einen Faktor von einigen wenigen erstreckt, dehnt er sich bei der LUTs-Erec auf mehr als eine Gro ̈ßenordnung aus. Daher werden die mit LUTs-Erec abgeschätzten hochenergetischen Ereignisse von Überlaufereignissen dominiert, wohingegen die RF-Erec den Anteil der echten Ereignisse bei mehr als der Hälfte ha ̈lt. Ich zeige, dass die RF-Erec bessere Fähigkeiten als die LUTs-Erec bei der Abschätzung der spektralen Steigung und Amplitude hat sowie zuverlässigere und einheitlichere Ergebnisse als andere verfügbare Strategien für die Spektralanalyse liefert. Ich habe diese neuartige Methodik in das Standard-Softwarepaket zur MAGIC-Analyse (MARS) implementiert. Es steht nun der MAGIC-Kollaboration zur Verfügung und wird seit dem Jahr 2020 als Teil des Standard-Daten-analysesystems betrachtet. Die erste wissenschaftliche Anwendung der neuartigen Energieschätzung geschah auf die Daten der MAGIC-Beobachtungen des Gammastrahlenausbruchs (GRB) GRB 180114C. Dies war, nach 15 Jahren intensiver Suche mit den MAGIC-Teleskopen, der erste GRB, der bei VHE Gamma-Strahlen signifikant nach- gewiesen wurde. Das Spektrum hat die steilste Steigung über eine Energiedekade (von 0,2 TeV bis 2 TeV), die jemals mit MAGIC oder einem anderen VHE Gamma-Strahleninstrument gemessen wurde. Das steile Spektrum ist auf die Absorption durch das extragalaktische Hintergrundlicht (EBL) zurückzuführen, das den Strahlenfluss von Gamma-Strahlen bei den höchsten Energien auf weniger als ein Hundertstel reduziert. Außerdem wurde die Beobachtung bei hohem Zd durchgeführt. Unter diesen Beobachtungsbedingungen wäre die bisherige Methode zur Energierekonstruktion, LUTs-Erec, nicht in der Lage gewesen, eine zuverlässige Charakterisierung der Form des VHE Gamma-Strahlenspektrums von GRB 190114C zu liefern. Basierend auf meiner neuartigen Methodik wurden die MAGIC GRB-Daten jedoch erfolgreich analysiert, was zu zwei Nature- Veröffentlichungen führte, die über diese historische Entdeckung berichten (Nature, Bd. 575, p455-458 und p459-463). Die ergiebige Photonenstatistik ermöglicht die Charakterisierung der VHE-Spektren auf kurzen Zeitskalen von nur einer Minute. Die Analyse offenbarte die Existenz einer neuen Emissionskomponente, die sich bis etwa 2 TeV erstreckt. Diese neue Komponente könnte als Synchrotron-Selbst-Compton-Prozess (SSC) aus dem externen Vorwärtsschock des GRB-Ausstroms erklärt werden, der von mehreren Theoretikern seit langem vorhergesagt wurde. Die Daten offenbaren, dass die SSC-Komponente ungefähr das gleiche zeitliche Potenzverhalten wie die Synchrotron-Komponente aufweist, welche mit der Verlangsamung des Schocks abnimmt, und dass sie für einen beträchtlichen Anteil der kinetischen Energie verantwortlich ist, die im Ausstrom des GRBs deponiert wird. Trotz der technischen Schwierigkeiten beim Nachweis von TeV Gamma-Strahlen aus GRBs deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die SSC-Emission ein bei GRBs üblicher Prozess sein könnte, was die Notwendigkeit impliziert, unser Wissen über diese extremen Phänomene grundlegend zu aktualisieren.
Energy reconstruction, gamma-ray, Gamma Ray Burst, spectral analysis, MAGIC, Machine Learning, Random Forest
Ishio, Kazuma
2020
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Ishio, Kazuma (2020): Improvement in the gamma-ray energy reconstruction of MAGIC and impact on the spectral analysis of the first Gamma Ray Burst detected at TeV energies. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

This thesis is about the development of a novel methodology, the Random Forest based Energy reconstruction (RF-Erec), to determine the energy of the very high energy (VHE, energy larger than 50 GeV) gamma-ray events detected with the MAGIC telescopes. RF-Erec improves the energy reconstruction of gamma-rays, and thereby extends the capabilities of the MAGIC telescopes, compared to the previous methodology for energy reconstruction, which is based on Look-Up-Tables (LUTs-Erec), and has been used over the last decade. When the energy reconstruction is evaluated in the energy resolution, which is the width of Gaussian fit to the distribution of estimation error normalised with energy, RF-Erec is better by a factor more than around 2 in a very wide range of the energies and pointing Zenith distances (Zd). Such improvement is even larger for high Zd observations. Moreover, the standard deviation of the error distribution is substantially smaller, as the long tail seen in the LUTs-Erec disappears in the RF-Erec. This means the energy migration matrix becomes tighter, and the energy estimation of each event becomes more robust. Consequently, RF-Erec enables a reliable spectral measurement even in situations with poor statistics, an event-wise analysis like for Lorentz Invariance Violation (LIV) studies, and a search for anomalies in the spectral shape. The benefit is not only a better accuracy, but also a wider applicability, such as for observations at high Zenith distance, and morphological together with spectral studies. As a side-product of my studies, I also identified the major source of systematic uncertainties in the LUTs-Erec, clarified its mechanism, and confirmed that it is insignificant in the RF-Erec. I evaluated the actual performance improvement in the spectrum reconstruction for different realistic scenarios. One of the cases with the biggest improvement is on a high Zd observation of a gamma-ray source with very steep spectrum. In such spectrum, the energy mis-reconstruction error, namely the spillover to higher energies, complicates substantially the spectral analysis and reduces its reliability. While spillover extends to at most factor of a few in the RF-Erec, it extends to more than one order of magnitude in the LUTs-Erec. Therefore the high energy events estimated using LUTs-Erec are dominated by spillover events, but the RF-Erec keeps the fraction of genuine events to be more than half. I show that the RF-Erec has better ability than LUTs-Erec in estimating the slope and amplitude, as well as more reliable and consistent results among the available strategies for spectral analysis. I have implemented this novel methodology into the standard MAGIC Analysis and Reconstruction Software (MARS). It is now available to the MAGIC collaboration and, starting from year 2020, regarded as part of the standard data analysis framework. The first scientific application of the novel energy estimation was on the data from the MAGIC observations of the gamma-ray burst (GRB) GRB 190114C. It was the first GRB detected significantly at VHE gamma-rays, after more than 15 years of intense searches with the MAGIC telescopes. The spectrum has the steepest shape over one decade in energy (from 0.2 TeV to 2 TeV) that has been ever measured with MAGIC, and with any VHE gamma-ray instrument to date. The steep spectrum is due to the absorption by the Extragalactic Background Light (EBL), that reduces the gamma-ray flux by factors of several hundreds at the highest energies. Moreover the observation was performed at high Zd. Under these observing conditions, the previous method for energy reconstruction, LUTs-Erec, would not have been able to provide a reliable characterization of the VHE gamma-ray spectral shape from GRB 190114C. However, based on my novel methodology, the MAGIC GRB data were analyzed successfully, leading to two Nature papers reporting this historical discovery (Nature, vol.575, p455-458 and p459-463). The rich photon statistics enabled the characterization of the VHE spectra on timescales as short as 1 minute. The analysis revealed the existence of a new emission component extending to about 2 TeV. This new component could be explained as SSC from the external forward shock of the GRB outflow, which has been long predicted by several theorists. The data reveal that the SSC component has approximately the same power-law temporal behavior as the synchrotron component that decreases as the shock decelerates, and that it accounts for substantial amount of the kinetic energy deposited in the outflow from the GRB. Despite the technical difficulties in detecting TeV gamma-rays from GRBs, these results indicate that the SSC emission may be a common process among GRBs, which implies the need to substantially update our knowledge about these extreme phenomena.

Abstract

Diese Arbeit behandelt die Entwicklung einer neuartigen Methodik (Random Forest basierte Energierekonstruktion, RF-Erec) zur Bestimmung der Energie von sehr hochenergetischen (VHE, Energie mehr als 50 GeV) Gamma-Strahlen-Ereignissen, welche mit den MAGIC-Teleskopen aufgezeichnet wurden. RF-Erec verbessert die Energierekonstruktion von Gamma-Strahlen und erweitert damit die Möglichkeiten der MAGIC-Teleskope im Vergleich zur früheren Methodik der Energierekonstruktion, die auf Lookup-Tabellen (LUTs-Erec) basiert und in den letzten zehn Jahren verwendet wurde. Wenn die Energierekonstruktion in Bezug auf die Energieauflösung bewertet wird, d.h. der Breite der Gaußschen Anpassung an die Verteilung des mit der Energie normalisierten Schätzfehlers, ist RF-Erec in einem sehr breiten Energie- und Beobachtungszenitwinkelbereich (Zd) um einen Faktor mehr als 2 besser, und diese Verbesserung ist bei Beobachtungen unter hohen Zd sogar noch größer. Außerdem ist die Standardabweichung der Fehlverteilung wesentlich kleiner, da der lange Ausläufer, der in der LUTs-Erec zu sehen sind, in der RF-Erec verschwindet. Dies bedeutet, dass die Energiemigrationsmatrix schmaler wird und die Abschätzung der Energie jedes Ereignisses robuster wird. Folglich ermöglicht RF-Erec eine zuverlässige Messung des Spektrums auch in Situationen mit niedriger Statistik, eine ereignisbezogene Analyse wie für Untersuchungen zur Verletzungen der Lorentzinvarianz (LIV) und eine Suche nach spektralen Anomalien. Der Vorteil ist nicht nur eine verbesserte Genauigkeit, sondern auch eine breitere Anwendbarkeit, wie z.B. für Beobachtungen unter hohen Zenitwinkeln und gemeinsame morphologische und spektrale Untersuchungen. Als Nebenprodukt meiner Forschung identifizierte ich auch die Hauptquelle systematischer Unsicherheiten in der LUTs-Erec, legte ihren Mechanismus dar und bestätigte, dass dieser in der RF-Erec unbedeutend ist. Ich bewertete die tatsächliche Leistungsverbesserung bei der Rekonstruktion der Spektren für verschiedene realistische Szenarien. Einer der Fälle mit der größten Verbesserung ist die Beobachtung einer Gamma-Strahlenquelle mit sehr steilem Spektrum unter hohen Zd-Winkeln. Für ein solches Spektrum erschwert die falsche Energierekonstruktion, genauer gesagt das Verschieben von Ereignissen in Bins höherer Energie, die Spektralanalyse erheblich und verringert ihre Zuverlässigkeit. Während sich die Anzahl falsch zu richtig rekonstruierten Ereignissen bei der RF-Erec höchstens auf einen Faktor von einigen wenigen erstreckt, dehnt er sich bei der LUTs-Erec auf mehr als eine Gro ̈ßenordnung aus. Daher werden die mit LUTs-Erec abgeschätzten hochenergetischen Ereignisse von Überlaufereignissen dominiert, wohingegen die RF-Erec den Anteil der echten Ereignisse bei mehr als der Hälfte ha ̈lt. Ich zeige, dass die RF-Erec bessere Fähigkeiten als die LUTs-Erec bei der Abschätzung der spektralen Steigung und Amplitude hat sowie zuverlässigere und einheitlichere Ergebnisse als andere verfügbare Strategien für die Spektralanalyse liefert. Ich habe diese neuartige Methodik in das Standard-Softwarepaket zur MAGIC-Analyse (MARS) implementiert. Es steht nun der MAGIC-Kollaboration zur Verfügung und wird seit dem Jahr 2020 als Teil des Standard-Daten-analysesystems betrachtet. Die erste wissenschaftliche Anwendung der neuartigen Energieschätzung geschah auf die Daten der MAGIC-Beobachtungen des Gammastrahlenausbruchs (GRB) GRB 180114C. Dies war, nach 15 Jahren intensiver Suche mit den MAGIC-Teleskopen, der erste GRB, der bei VHE Gamma-Strahlen signifikant nach- gewiesen wurde. Das Spektrum hat die steilste Steigung über eine Energiedekade (von 0,2 TeV bis 2 TeV), die jemals mit MAGIC oder einem anderen VHE Gamma-Strahleninstrument gemessen wurde. Das steile Spektrum ist auf die Absorption durch das extragalaktische Hintergrundlicht (EBL) zurückzuführen, das den Strahlenfluss von Gamma-Strahlen bei den höchsten Energien auf weniger als ein Hundertstel reduziert. Außerdem wurde die Beobachtung bei hohem Zd durchgeführt. Unter diesen Beobachtungsbedingungen wäre die bisherige Methode zur Energierekonstruktion, LUTs-Erec, nicht in der Lage gewesen, eine zuverlässige Charakterisierung der Form des VHE Gamma-Strahlenspektrums von GRB 190114C zu liefern. Basierend auf meiner neuartigen Methodik wurden die MAGIC GRB-Daten jedoch erfolgreich analysiert, was zu zwei Nature- Veröffentlichungen führte, die über diese historische Entdeckung berichten (Nature, Bd. 575, p455-458 und p459-463). Die ergiebige Photonenstatistik ermöglicht die Charakterisierung der VHE-Spektren auf kurzen Zeitskalen von nur einer Minute. Die Analyse offenbarte die Existenz einer neuen Emissionskomponente, die sich bis etwa 2 TeV erstreckt. Diese neue Komponente könnte als Synchrotron-Selbst-Compton-Prozess (SSC) aus dem externen Vorwärtsschock des GRB-Ausstroms erklärt werden, der von mehreren Theoretikern seit langem vorhergesagt wurde. Die Daten offenbaren, dass die SSC-Komponente ungefähr das gleiche zeitliche Potenzverhalten wie die Synchrotron-Komponente aufweist, welche mit der Verlangsamung des Schocks abnimmt, und dass sie für einen beträchtlichen Anteil der kinetischen Energie verantwortlich ist, die im Ausstrom des GRBs deponiert wird. Trotz der technischen Schwierigkeiten beim Nachweis von TeV Gamma-Strahlen aus GRBs deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die SSC-Emission ein bei GRBs üblicher Prozess sein könnte, was die Notwendigkeit impliziert, unser Wissen über diese extremen Phänomene grundlegend zu aktualisieren.