Probing the sources of gravitational waves

Abstract

Seit fast 60 Jahren beschäftigen sich Wissenschaftler mit der Frage nach dem Ursprung der ultra-hochenergetischen (UHE) kosmischen Strahlung (KS). Der direkte Nachweis von Gravitationswellen (GW) im Jahr 2015 warf zum ersten Mal Licht auf die Verschmelzungsprosesse kompakter Binärsysteme (compact binary mergers, CBMs), welche als vielverprechende Kandidaten für die Beschleunigung höchstenergetischer KS gelten. Da geladene KS starke Ablenkung in den extragalaktischen Magnetfeldern erfährt, muss bei der Untersuchung einer Korrelation zwischen GW und KS auf neutrale Botschafterteilchen wie Photonen und Neutrinos zurückgegriffen werden. Die Beobachtung eines Objekts im Lichte verschiedener Botschaftersignale, genannt ``Multimessenger-Astronomie'' (MMA) , feierte einen bedeutenden Durchbruch mit der Beobachtung der Verschmelzung eines binären Neutronensternsystems im Jahr 2017. Die Analyse, die in der vorliegenden Arbeit präsentiert wird, öffnet durch die Suche nach Photonen mit Energien jenseits von 10 EeV ausgehend von transienten Punktquellen ein neues Fenster im Forschungsfeld der MMA. Zum ersten Mal werden obere Schranken auf den Fluss von UHE Photonen ausgehend von CBMs hergeleitet durch die Analyse der Daten, die am Pierre Auger Observatorium genommen wurden und der veröffentlichten Daten der GW Detektoren LIGO und Virgo. Luftschauerereignisse, die in Koinzidenz mit einer GW gemessen wurden, werden gesondert untersucht und die Sensitivität des Auger Oberflächendetektors gegenüber einem möglichen Photonsignal ausgewertet. Vorbereitend für zukünftige GW Messungen werden außerdem weiterführende Analysemethoden entwickelt, die die Möglichkeiten von Auger maximal ausschöpfen sollen. Neben den CBMs wird auch der atypische Blazar TXS 0506+056 im Hinblick auf UHE Photonen während zwei Phasen erhöhter Neutrinoemission untersucht. Abschließend wird dieser Arbeit eine zusätzliche Studie angehängt, in der ein erster Schritt unternommen wird, die Energieschwelle des Auger Oberflächendetektors für die Suche nach Photonen von CBMs zu senken. Zu diesem Zweck wird eine neue Luftschauerobservable entwickelt und auf ihre systematischen Eigenschaften untersucht.

Since almost 60 years, physicists have been puzzled about the origin of ultra-high-energy (UHE) cosmic rays (CRs). In 2015, the first direct measurement of gravitational waves (GWs) shed light on a new promising type of source candidate: the merging processes of compact binary systems (compact binary mergers, CBMs). Since charged CRs are considerably deflected by extragalactic magnetic fields, one has to rely on neutral messenger particles like photons or neutrinos if correlations between GWs and CRs shall be analyzed. The technique of observing a single astronomical object in the light of multiple messenger signals is called ``multimessenger astronomy'' (MMA) and witnessed a major breakthrough with the observation of a binary neutron star merger in 2017. The analysis presented in this work shall open a new window in the field of MMA by searching for photons with energies beyond 10 EeV from transient point sources. For the first time, constraints on UHE photons from CBMs are derived using data collected by the Pierre Auger Observatory and public data on GWs from the LIGO and Virgo detectors. Air shower events that have been found to be coincident with a GW are analyzed separately and the sensitivity of the Auger Observatory surface detector to a potential photon signal is evaluated. In preparation for future GW observations, a dedicated analysis strategy is developed aiming to optimize the physics results within the capabilities of Auger. Furthermore, also the atypical blazar TXS 0506+056 is analyzed for UHE photons during two periods of enhanced high-energy neutrino emission. Finally and as an addition to this thesis, a first step is taken to lower the energy threshold of the Auger surface detector for the search for photons from transient point sources. For this purpose a new photon-discriminating air shower observable is being developed and analyzed in a simulation study.