Ground-based gamma-ray astronomy has had a major breakthrough with the impressive results obtained using systems of imaging atmospheric Cherenkov telescopes. Ground-based gamma-ray astronomy has a huge potential in astrophysics, particle physics and cosmology. CTA is an international initiative to build the next generation instrument, with a factor of 5-10 improvement in sensitivity in the 100 GeV to 10 TeV range and the extension to energies well below 100 GeV and above 100 TeV. CTA will consist of two arrays (one in the north, one in the south) for full sky coverage and will be operated as open observatory. The design of CTA is based on currently available technology. This document reports on the status and presents the major design concepts of CTA.

We present the results of the most comprehensive survey of the Galactic plane in very high-energy (VHE) gamma-rays, including a public release of Galactic sky maps, a catalog of VHE sources, and the discovery of 16 new sources of VHE gamma-rays. The High Energy Spectroscopic System (H.E.S.S.) Galactic plane survey (HGPS) was a decade-long observation program carried out by the H.E.S.S. I array of Cherenkov telescopes in Namibia from 2004 to 2013. The observations amount to nearly 2700 h of data, covering the Galactic plane at longitudes from l = 250 deg to 65 deg and latitudes |b| < 3 deg. In addition to the unprecedented spatial coverage, the HGPS also features a relatively high angular resolution (0.08 deg), sensitivity (1.5% Crab flux for point-like sources), and energy range (0.2-100 TeV). We constructed a source catalog with a systematic procedure for both source detection and characterization of morphology and spectrum. We present this method, including the introduction of a model component to account for unresolved, large-scale emission along the Galactic plane. In total, the resulting HGPS catalog contains 78 VHE sources, of which 14 are not reanalyzed here. Where possible, we provide a firm identification of the VHE source or plausible associations with sources in other astronomical catalogs. We also studied the characteristics of the VHE sources with source parameter distributions. 16 new sources were previously unknown or unpublished, and we individually discuss their identifications or possible associations. We firmly identified 31 sources as pulsar wind nebulae (PWNe), supernova remnants (SNRs), composite SNRs, or gamma-ray binaries. Among the 47 sources not yet identified, most of them (36) have possible associations with cataloged objects, notably PWNe and energetic pulsars that could power VHE PWNe.

A search for a very-high-energy (VHE; ≥100 GeV) γ-ray signal from self-annihilating particle dark matter (DM) is performed towards a region of projected distance r∼45-150 pc from the Galactic center. The background-subtracted γ-ray spectrum measured with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) γ-ray instrument in the energy range between 300 GeV and 30 TeV shows no hint of a residual γ-ray flux. Assuming conventional Navarro-Frenk-White and Einasto density profiles, limits are derived on the velocity-weighted annihilation cross section (σv) as a function of the DM particle mass. These are among the best reported so far for this energy range and in particular differ only little between the chosen density profile parametrizations. In particular, for the DM particle mass of ∼1 TeV, values for (σv) above 3×10(-25) cm(3) s(-1) are excluded for the Einasto density profile.

Gamma-ray line signatures can be expected in the very-high-energy (${E}_{\ensuremath{\gamma}}>100\text{ }\text{ }\mathrm{GeV}$) domain due to self-annihilation or decay of dark matter (DM) particles in space. Such a signal would be readily distinguishable from astrophysical $\ensuremath{\gamma}$-ray sources that in most cases produce continuous spectra that span over several orders of magnitude in energy. Using data collected with the H.E.S.S. $\ensuremath{\gamma}$-ray instrument, upper limits on linelike emission are obtained in the energy range between $\ensuremath{\sim}500\text{ }\text{ }\mathrm{GeV}$ and $\ensuremath{\sim}25\text{ }\text{ }\mathrm{TeV}$ for the central part of the Milky Way halo and for extragalactic observations, complementing recent limits obtained with the Fermi-LAT instrument at lower energies. No statistically significant signal could be found. For monochromatic $\ensuremath{\gamma}$-ray line emission, flux limits of $(2\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{\ensuremath{-}7}--2\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{\ensuremath{-}5})\text{ }\text{ }{\mathrm{m}}^{\ensuremath{-}2}\text{ }{\mathrm{s}}^{\ensuremath{-}1}\text{ }{\mathrm{sr}}^{\ensuremath{-}1}$ and $(1\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{\ensuremath{-}8}--2\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{\ensuremath{-}6})\text{ }\text{ }{\mathrm{m}}^{\ensuremath{-}2}\text{ }{\mathrm{s}}^{\ensuremath{-}1}\text{ }{\mathrm{sr}}^{\ensuremath{-}1}$ are obtained for the central part of the Milky Way halo and extragalactic observations, respectively. For a DM particle mass of 1 TeV, limits on the velocity-averaged DM annihilation cross section $⟨\ensuremath{\sigma}v{⟩}_{\ensuremath{\chi}\ensuremath{\chi}\ensuremath{\rightarrow}\ensuremath{\gamma}\ensuremath{\gamma}}$ reach $\ensuremath{\sim}{10}^{\ensuremath{-}27}\text{ }\text{ }{\mathrm{cm}}^{3}\text{ }{\mathrm{s}}^{\ensuremath{-}1}$, based on the Einasto parametrization of the Galactic DM halo density profile.

Current Cherenkov telescopes have identified a population of ultra-high-frequency peaked BL Lac objects (UHBLs), also known as extreme blazars, that exhibit exceptionally hard TeV spectra, including 1ES 0229+200, 1ES 0347-121, RGB J0710+591, 1ES 1101-232, and 1ES 1218+304. Although one-zone synchrotron-self-Compton (SSC) models have been generally successful in interpreting the high-energy emission observed in other BL Lac objects, they are problematic for UHBLs, necessitating very large Doppler factors and/or extremely high minimum Lorentz factors of the emitting leptonic population. In this context, we have investigated alternative scenarios where hadronic emission processes are important, using a newly developed (lepto-)hadronic numerical code to systematically explore the physical parameters of the emission region that reproduces the observed spectra while avoiding the extreme values encountered in pure SSC models. Assuming a fixed Doppler factor $\delta=30$, two principal parameter regimes are identified, where the high-energy emission is due to: 1) proton-synchrotron radiation, with magnetic fields $B \sim 1-100\ \textrm{G}$ and maximum proton energies $E_{p;max} \lesssim 10^{19}$ eV; and 2) synchrotron emission from p-$\gamma$-induced cascades as well as SSC emission from primary leptons, with $B \sim 0.1-1\ \textrm{G}$ and $E_{p;max} \lesssim 10^{17}$ eV. This can be realized with plausible, sub-Eddington values for the total (kinetic plus magnetic) power of the emitting plasma, in contrast to hadronic interpretations for other blazar classes that often warrant highly super-Eddington values.

The long gamma-ray burst (GRB) 100621A, at the time the brightest X-ray transient ever detected by Swift-XRT in the $0.3\textrm{--}10$ keV range, has been observed with the H.E.S.S. imaging air Cherenkov telescope array, sensitive to gamma radiation in the very-high-energy (VHE, $>100$ GeV) regime. Due to its relatively small redshift of $z\sim0.5$, the favourable position in the southern sky and the relatively short follow-up time ($<700 \rm{s}$ after the satellite trigger) of the H.E.S.S. observations, this GRB could be within the sensitivity reach of the H.E.S.S. instrument. The analysis of the H.E.S.S. data shows no indication of emission and yields an integral flux upper limit above $\sim$380 GeV of $4.2\times10^{-12} \rm cm^{-2}s^{-1}$ (95 % confidence level), assuming a simple Band function extension model. A comparison to a spectral-temporal model, normalised to the prompt flux at sub-MeV energies, constraints the existence of a temporally extended and strong additional hard power law, as has been observed in the other bright X-ray GRB 130427A. A comparison between the H.E.S.S. upper limit and the contemporaneous energy output in X-rays constrains the ratio between the X-ray and VHE gamma-ray fluxes to be greater than 0.4. This value is an important quantity for modelling the afterglow and can constrain leptonic emission scenarios, where leptons are responsible for the X-ray emission and might produce VHE gamma rays.