Archival search of very high energy transient sources with the magic telescopes

Abstract

Les fonts transitoris són objectes o esdeveniments astronòmics que evolucionen en escales de temps curtes (des de mil·lisegons fins a dies). Aquesta tesi introdueix un algoritme innovador per a la cerca de fonts transitories en molt alta energia amb dades d'arxiu dels telescopis Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov (MAGIC), que són un sistema de dos Telescopis Cherenkov Atmosfèrics d'Imatge (IACTs).

Després de 20 anys en funcionament, els telescopis MAGIC han acumulat grans quantitats de dades observacionals, però l'observació dia a dia d'esdeveniments transitoris depèn d'alertes provinents d'altres experiments. Aquest nou mètode pretén aprofitar les dades d'arxiu per a la cerca d'esdeveniments transitoris. El mètode està dissenyat com una cerca directa no biaixada de qualsevol tipus de font transitoria, sent el seu principal paràmetre l'escala de temps de la font objectiu. Apliquem la cerca en quatre escales de temps diferents, 2 s, 10 s, 100 s i 1000 s, i enfocarem l'anàlisi dels resultats en el cas de l'evaporació d'Agujeros Negros Primordiales (PBH).

Els PBHs són forats negres hipotètics la formació dels quals en l'Univers primerenc s'ha postulat com a deguda a fluctuacions de densitat, i tenen un ampli rang de possibles masses inicials. Els PBHs amb una massa inicial al voltant de 10^11 - 10^12 kg són un objectiu atractiu per als IACTs, ja que estarien evaporant-se en l'actualitat en una explosió sobtada de partícules de molt alta energia a causa de la radiació de Hawking. Una detecció d'emissió de raigs gamma de PBHs constituiria, a més de confirmar la seva existència, una prova de la radiació de Hawking i tindria un ampli impacte en els models cosmològics. Enfocat en la detecció de l'evaporació de PBHs, aquest treball presenta una anàlisi d'un any de dades observacionals d'arxiu de MAGIC.

Diverses senyals van sorgir com a candidates durant l'anàlisi, però cap va tenir suficient significància estadística com per afirmar la detecció d'evaporació de PBHs o un altre esdeveniment transitori. No obstant això, les no deteccions van produir límits superiors amb un 99 % de nivell de confiança a la densitat de taxa d'evaporació dels PBHs a prop de la Terra en un espai de paràmetres prèviament no examinat. Aquests resultats es van utilitzar per discutir els diferents enfocaments per observar PBHs utilitzats per MAGIC i altres experiments de raigs gamma, i derivar límits superiors en la proporció de densitat de PBHs en l'Univers primerenc.

El desenvolupament d'un model d'estimació de fons de raigs gamma com a part d'aquesta tesi millora la nostra capacitat per analitzar grans quantitats de dades en cerca d'esdeveniments transitoris. Encara que no es va trobar cap detecció significativa, els algoritmes i metodologies desenvolupats aquí poden ser d'ús en futures cerques enfocades a diferents esdeveniments transitoris, o simplement aplicar-se a un conjunt de dades més ampli. En conclusió, aquesta tesi contribueix a establir nous límits superiors en el camp dels PBHS, però també avança les eines analítiques disponibles per a futures cerques transitories en el camp de l'astrofísica de molt altes energies.

Las fuentes transitorias son objetos o eventos astronómicos que evolucionan en escalas de tiempo cortas (desde milisegundos hasta días). Esta tesis introduce un algoritmo novedoso para la búsqueda de fuentes transitorias en muy alta energía con datos de archivo de los telescopios Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov (MAGIC), que son un sistema de dos Telescopios Cherenkov Atmosféricos de Imagen (IACTs).

Tras 20 años en funcionamiento, los telescopios MAGIC han acumulado grandes cantidades de datos observacionales, pero la observación día a día de eventos transitorios depende de alertas provenientes de otros experimentos. Este nuevo método pretende aprovechar los datos de archivo para la búsqueda de eventos transitorios. El método está diseñado como una búsqueda directa no sesgada de cualquier tipo de fuente transitoria, siendo su principal parámetro la escala de tiempo de la fuente objetivo. Aplicamos la búsqueda en cuatro escalas de tiempo diferentes, 2 s, 10 s, 100 s y 1000 s, y enfocamos el análisis de los resultados en el caso de la evaporación de Agujeros Negros Primordiales (PBH).

Los PBHs son agujeros negros hipotéticos cuya formación en el Universo temprano se ha postulado como debida a fluctuaciones de densidad, y tienen un amplio rango de posibles masas iniciales. Los PBHs con una masa inicial alrededor de 10^11 - 10^12 kg son un objetivo atractivo para los IACTs, ya que estarían evaporándose en la actualidad en una explosión repentina de partículas de muy alta energía debido a la radiación de Hawking. Una detección de emisión de rayos gamma de PBHs constituiría, además de confirmar su existencia, una prueba de la radiación de Hawking y tendría un amplio impacto en los modelos cosmológicos. Enfocado en la detección de la evaporación de PBHs, este trabajo presenta un análisis de un año de datos observacionales de archivo de MAGIC.

Varias señales surgieron como candidatas durante el análisis, pero ninguna tuvo suficiente significancia estadística como para afirmar la detección de evaporación de PBHs u otro evento transitorio. No obstante, las no detecciones produjeron límites superiores con un 99 % de nivel de confianza a la densidad de tasa de evaporación de los PBHs cerca de la Tierra en un espacio de parámetros previamente no examinado. Estos resultados se utilizaron para discutir los diferentes enfoques para observar PBHs utilizados por MAGIC y otros experimentos de rayos gamma, y derivar límites superiores en la proporción de densidad de PBH en el Universo temprano.

El desarrollo de un modelo de estimación de fondo de rayos gamma como parte de esta tesis mejora nuestra capacidad para analizar grandes cantidades de datos en búsqueda de eventos transitorios. Aunque no se encontró ninguna detección significativa, los algoritmos y metodologías desarrollados aquí pueden ser de uso en futuras búsquedas enfocadas a diferentes eventos transitorios, o simplemente aplicarse a un conjunto de datos más amplio. En conclusión, esta tesis contribuye a establecer nuevos límites superiores en el campo de PBHS, pero también avanza las herramientas analíticas disponibles para futuras búsquedas transitorias en el campo de la astrofísica de muy altas energías.

Transient sources are astronomical objects or events that evolve in short timescales (from milliseconds to days). The transient sky in Very High Energy (VHE) gamma-rays offers a window into the most energetic and dynamic processes in the Universe. This thesis introduces a novel algorithm for the archival search of transient VHE sources with the Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov (MAGIC) telescopes, a system of two Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes (IACTs).

After 20 years in operation, the MAGIC telescopes have accumulated vast amounts of observational data, but the day-to-day observation of transients depends on alerts from other experiments. This new method aims to leverage archival data for the search of transient events. The method is designed as an unbiased direct search for any kind of transient, with its main parameter being the timescale of the target source. We applied the search in four different timescales, 2 s, 10 s, 100 s and 1000 s, and focused the analysis of the results on the case of Primordial Black Hole (PBH) evaporation.

PBHs are hypothesized to have been formed in the early Universe due to density fluctuations and have a wide range of possible initial masses. PBHs with an initial mass around 10 11 - 10 12 kg are an attractive target for IACTs, since they would be evaporating at present times in a sudden explosion of VHE particles due to Hawking radiation. A detection of VHE emission from PBHs would, in addition to conrming their existence, constitute as proof for Hawking radiation and have a wide impact on cosmological models. Focused on the detection of PBH evaporation, this work presents an analysis of one year of observational archival data from MAGIC.

While several candidate signals emerged, none had enough statistical signicance to warrant a detection claim for PBH evaporation or other transient event. Nevertheless, the non-detections yielded 99 % condence level upper limits on the evaporation rate density of PBHs near Earth in previously unexamined parameter space. These results were used to discuss the different approaches to observing PBHs used by MAGIC and other gamma-ray experiments, and derive upper limits on the PBH density ratio in the early Universe.

The development of a background estimation model as part of this thesis improves our capability to analyse vast datasets for the search of transient events. Although no signicant detection was found, the algorithms and methodologies developed herein can be used in future searches focused on different transient events, or simply applied to a larger dataset. In conclusion, this thesis contributes to setting new upper limits in the eld but also advances the analytical tools available for future transient searches in the VHE domain.