Development of analysis tools for the MAGIC Telescopes and observation of the Segue 1 Satellite Galaxy with MAGIC-I Telescope.

The work presented in this Thesis has been carried out for the MAGIC experiment during three years of PhD student-ship at the University of Padova, Department of Physics G. Galilei, in association with the Padova section of National Institute of Nuclear Physics (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, INFN), under the supervision of Professor M. Mariotti, PhD Michele Doro and PhD Villi Scalzotto. The two MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) telescopes, located in the Canary Island of La Palma (Spain), are a stereoscopic system based on the IAC (Imaging Atmospheric Cherenkov) technique and detect Cherenkov light emitted by atmospheric showers of charged particles that originate in the Earth’s atmosphere. These showers are predominantly generated by charged primary cosmic rays, such as protons and light isotopes, which impinge the Earth’s atmosphere isotropically, and by a percentage of gamma–rays, whose direction points back to the region of the cosmic emission. Thanks to sophisticated data reduction algorithms it is possible to efficiently extract the gamma–ray signal of the observed sources from the hadronic background in the energy range between ∼50 GeV and ∼20 TeV, allowing studies in different scientific fields such as galactic and extragalactic high energy Astrophysics, Cosmology and Particle Physics. The scientific activities of the MAGIC experiment are carried out in synergy and complementarity with satellite experiments, like AGILE and FERMI, and ground-based experiments, like H.E.S.S., VERITAS, and Milagro. The MAGIC telescopes, operated by a collaboration of about 150 physicists in more than 20 institutes, spread in several European countries, belong to the second generation of Cherenkov telescopes and have innovative features compared to previous IAC experiments related for example to the size of the reflecting surface area (about 250 square meters), to the lower energy threshold (below 100 GeV) and to the tracking velocity in case of observations of transient phenomena such as the Gamma Ray Bursts. In particular, the start of the operations of the second telescope MAGIC-II and the possibility to perform stereoscopic observations allow a lower energy threshold and a better sensitivity (by a factor ∼2) compared to the single MAGIC-I telescope observations. Currently, the MAGIC telescopes represent the more sensitive world-wide ground-based detector for gamma-rays in the energy range between ∼50 GeV and ∼150 GeV. During the PhD student-ship, my research activity focused on two principal occupations. The first one, orientated on technical issues, concerned the upgrade of a specific part of the software of the MAGIC experiment required for the stereoscopic data taking (which started since fall 2009), i.e. the calculation of the Effective Collection Area. The second one, more focused on scientific topics, was addressed to the possible indirect detection of dark matter with the MAGIC-I telescope. In particular, I contributed to the analysis data and to the related publications of the observations of interesting sources for possible detection of gamma–ray signal from self-annihilation processes of dark matter, like the dwarf spheroidal galaxies (satellite of the Milky Way) Draco and Willman 1 and the galaxy cluster Perseus. During the three years of PhD student-ship, I spent, on a whole, 4 months in the site of the MAGIC telescopes, as data taking operator and shift leader. I also contributed in June 2009 to the commissioning of the second telescope MAGIC-II for a period of 4 weeks. This Thesis is divided into eight chapters. Chapter 1 will be dedicated to a brief introduction on the physics of cosmic–rays and of astrophysical gamma-rays, on the current experimental methods for their detection, on the main mechanisms active in the Universe for the production of very high energy gamma-rays and on the main astronomical objects known as gamma-ray emitters. In chapter 2, a description of the main physical characteristics of the hadronic and electromagnetic atmospheric showers, the subsequent Cherenkov light emission and the Imaging Atmospheric Cherenkov technique will be given. In chapter 3, the main hardware components of the MAGIC telescopes will be illustrated, together with the main innovations introduced for the second telescope. In chapter 4, the standard analysis chain of the MAGIC-I telescope finalized to the extraction of the physical quantities of main interest, such as the significance and the gamma-ray flux of a given source, will be described. Subsequently, the new tools required for the stereo analysis of the MAGIC telescopes data will be introduced. The current performance of the stereoscopic system (whose commissioning phase was successfully accomplished during 2009) will be also shown. Chapter 5 will be dedicated to the alt-azimuth dependence of one of the main quantities which characterize the detection of Cherenkov light by the MAGIC telescopes, i.e. the Effective Collection Area. Indeed, while the Zenith effect on this quantity is well known and related to the increased atmospheric depth the atmospheric showers must pass through for increasing Zenith angles of observation, a possible Azimuth dependence is associated to the geomagnetic effects induced to the development of the showers and to the particular geometric configuration of the two telescopes system. The fixed direction between them, in fact, breaks the circular symmetry typical for the observations performed with a single telescope. In view of the start of the operations of the second MAGIC telescope and of the stereoscopic observations, the introduction of the Azimuth dependence of the Effective Collection Area has been therefore systematically taken into account and successfully implemented in the analysis software of the experiment. The results of tests performed on both Monte Carlo simulated data and real data will be shown. In chapter 6, a brief introduction on the dark matter topic will be reported: the main experimental evidences and some of the models and candidates proposed in literature to describe the dark matter nature will be discussed. In particular, the attention will be focused on the indirect dark matter search which is based on the possibility for MAGIC to detect gamma–rays as a result of annihilation or decay of dark matter particles. Gamma–ray signals are searched for in places where dark matter is concentrated, like, for example, the dwarf spheroidal galaxies satellite of the Milky Way. Chapter 7 will be dedicated to the data analysis of the observation carried out by the MAGIC-I telescope of Segue 1, a source considered to be a dwarf spheroidal galaxy satellite of the Milky Way, whose stellar kinematics seems to indicate a high mass–to–light ratio, making this celestial object extremely interesting from the point of view of indirect dark matter searches. The data of this source required particular cares due to the fact that a 3.5 apparent magnitude star was present in the field of view of the source during the whole survey. The adopted techniques used to face the problems related to the light of that star will be illustrated. This analysis allowed to determine, for energies above 100 GeV, upper limits on the flux emission derived form different assumed power law spectra. A paper on Segue 1 observation carried out by the MAGIC-I telescope, based on the results achieved by this analysis, is in preparation. Finally, in chapter 8, the general conclusions of the work presented in this Thesis will be given.

Il lavoro presentato in questa Tesi è stato svolto nell’ambito dell’esperimento MAGIC durante i tre anni di Scuola di Dottorato all’Università degli Studi di Padova, Dipartimento di Fisica G. Galilei, in associazione con l’Instituto Nazionale di Fisica Nucleare, sezione di Padova, sotto la supervisione del Professor M. Mariotti, del Dott. Michele Doro e del Dott. Villi Scalzotto. Il sistema stereoscopico di due telescopi MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov), situato nell’isola canaria di La Palma (Spagna), è basato sulla tecnica IAC (Imaging Atmospheric Cherenkov) per la rivelazione della luce Cherenkov emessa da cascate di particelle cariche che si originano nell’atmosfera terrestre. Tali cascate atmosferiche sono generate preminentemente dai raggi cosmici carichi, quali protoni e isotopi leggeri, che entrano isotropicamente nell’atmosfera terrestre, e da una percentuale di raggi gamma, la cui direzione di provenienza punta direttamente alla regione cosmica di emissione. Grazie a sofisticati algoritmi di riduzione dei dati è possibile estrarre efficacemente il segnale di natura gamma dal quello di natura adronica per energie comprese tra ∼50 GeV e ∼20 TeV, permettendo studi in diversi settori scientifici quali l’Astrofisica galattica ed extragalattica delle alte energie, la Cosmologia e la Fisica delle Particelle Elementari. Le attività scientifiche dell’esperimento MAGIC vengono portate avanti in sinergia e complementarità con gli esperimenti gamma posti su satellite, quali AGILE e FERMI, e quelli posti a terra, quali H.E.S.S., VERITAS eMilagro. I telescopi MAGIC, realizzati da una collaborazione internazionale di circa 150 fisici appartenenti ad una ventina di istituzioni di diversi paesi della comunità europea, rientrano nella seconda generazione di telescopi Cherenkov e presentano rispetto ai precedenti delle caratteristiche innovative legate per esempio alla grandezza della superficie riflettente (circa 250 metri quadri), all’abbassamento della soglia energetica al di sotto dei 100 GeV e alla velocità di puntamento nel caso dell’osservazione di fenomeni improvvisi, come ad esempio l’esplosione di raggi gamma (Gamma Ray Bursts). In particolare, la messa in opera del secondo telescopio MAGIC-II e la possibilità di condurre osservazioni stereoscopiche permettono un abbassamento della soglia energetica ed una sensibilità di circa un fattore 2 superiore a quella ottenuta con il singolo telescopio MAGIC-I. Attualmente, i telescopi MAGIC rappresentano il rivelatore posto a terra più sensibile al mondo per raggi gamma di energie comprese tra ∼50 GeV e ∼150 GeV. Durante il lavoro di dottorato ho svolto la mia ricerca in due principali attività. La prima, di tipo tecnico, ha riguardato l’aggiornamento di una specifica parte del software dell’esperimento MAGIC necessario in vista della presa dati stereoscopica dei telescopi MAGIC (iniziata alla fine del 2009), ovvero il calcolo dell’area efficace collettrice. La seconda, di tipo più prettamente scientifico, è stata rivolta alla possibile rivelazione indiretta di materia oscura con il telescopio MAGIC-I. In particolare, ho contribuito all’analisi dati e alle relative pubblicazioni delle sorgenti osservate dal telescopio MAGIC-I candidate per la ricerca di possibili segnali gamma dovuti ad auto annichilazione di materia oscura, quali le galassie nane satelliti della Via Lattea Draco e Willman 1 e il cluster galattico Perseus. Durante i tre anni di dottorato ho passato complessivamente 4 mesi a La Palma, nel sito dei telescopi MAGIC, come operatore di presa dati. Inoltre nel mese di Giugno del 2009 ho partecipato per 4 settimane alla fase di commissioning del secondo telescopio MAGIC-II. Questo lavoro di Tesi è suddiviso in otto capitoli. Nel capitolo 1 verranno brevemente introdotti la fisica dei raggi cosmici e dei raggi gamma di natura astrofisica, gli attuali metodi sperimentali per la loro rivelazione, i meccanismi attivi nell’Universo per la produzione di raggi gamma di alte energie e le principali sorgenti cosmiche note di raggi gamma. Il capitolo 2 sarà dedicato alla descrizione delle principali caratteristiche fisiche degli sciami atmosferici di natura adronica ed elettromagnetica, alla susseguente emissione di luce Cherenkov prodotta da essi e alla tecnica di rivelazione IAC, su cui i telescopi MAGIC sono basati. Nel capitolo 3 verranno descritte le principali componenti hardware dei due telescopi MAGIC e le innovazioni introdotte per il secondo telescopio. Nel capitolo 4 si discuterà la catena di analisi standard del telescopio MAGIC-I per l’estrazione delle principali quantità fisiche di interesse, quali la significanza del segnale proveniente da una data sorgente e il suo flusso. Successivamente verranno brevemente descritte le principali novità introdotte per la corrente analisi delle sorgenti osservate stereoscopicamente. Le attuali performance del sistema stereoscopico (la cui fase di commissioning è stata portata a termine con successo durante il 2009) saranno inoltre presentate. Nel capitolo 5 verrà introdotta la tematica riguardante la dipendenza alt-azimutale di una delle principali quantità che caratterizzano la rivelazione di luce Cherenkov da parte dei telescopi MAGIC ovvero l’area efficace collettrice. Infatti, se da un lato l’effetto zenitale su tale quantità è ben noto e correlato alla maggiore profondità atmosferica che gli sciami percorrono nel loro sviluppo per angoli zenitali via via maggiori, una possibile dipendenza azimutale è associata agli effetti che il campo geomagnetico induce sullo sviluppo degli sciami stessi e alla particolare configurazione geometrica del sistema di telescopi. La direzione fissa tra di essi, infatti, rompe la simmetria circolare di osservazione tipica delle osservazioni effettuate con un singolo telescopio. Alla luce della messa in funzione del secondo telescopio MAGIC-II e della osservazione stereoscopica delle sorgenti, l’introduzione della dipendenza azimutale dell’area efficace colletrice è stata dunque presa sistematicamente in considerazione e implementata efficacemente nel software di analisi dati dell’esperimento. Saranno riportati inoltre i risultati di test effettuati su campioni di dati Monte Carlo e di dati reali. Nel capitolo 6 verrà fatta una breve introduzione sulla materia oscura: saranno discusse le principali evidenze sperimentali, alcuni modelli che la descrivono e i principali candidati proposti in letteratura per spiegarne la natura. L’attenzione sarà focalizzata sulla ricerca indiretta di materia oscura che si basa sulla possibilità per i telescopi MAGIC di poter rivelare segnali indiretti sotto forma di raggi gamma, provenienti da annichilazione o decadimento di particelle di materia oscura, da parte di sorgenti caratterizzate da alte densità di tale tipo di materia quali, per esempio, galassie nane sferoidali satelliti della Via Lattea. Il capitolo 7 sarà dedicato all’analisi dati dell’osservazione effettuata da parte del telescopio MAGIC-I della sorgente Segue 1, ritenuta essere una galassia nana sferoidale satellite della Via Lattea, la cui cinematica stellare sembra indicare un elevato rapporto massa–luminosità, rendendo tale oggetto celeste estremamente interessante dal punto di vista della recerca indiretta di materia oscura. I dati di tale sorgente hanno richiesto particolare attenzione dovuta al fatto della presenza di una stella di magnitudo apparente 3.5 nel campo di vista della sorgente durante l’intera osservazione. Le tecniche adottate per trattare i problemi legati alla presenza di tale stella saranno illustrati. L’analisi ha permesso di determinare, per energie maggiori di 100 GeV, limiti superiori sul flusso della sorgente assumendo diversi generici spettri di potenza. Un articolo sull’osservazione della sorgente Segue 1 condotta dal telescopio MAGIC-I, basato sui risultati di questa analisi, è in fase di preparazione. Infine, nel capitolo 8, verranno riportate le conclusioni generali su questo lavoro di Tesi.