Für astrophysikalische Quellen, z.B. aktive galaktische Kerne, werden hochenergetische Neutrinoflüsse vorhergesagt. Neutrinos und Gammastrahlen werden in hadronischen Prozessen erzeugt, für die Protonen auf hohe Energien beschleunigt werden müssen. Da Neutrinos nur schwach wechselwirken und nicht von Magnetfeldern abgelenkt werden können, bleiben Flussstärken und ihre Richtung erhalten. IceCube, ein Kubikkilometer-Detektor der sich am Südpol befindet, kann solche Neutrinos nachweisen. In dieser Arbeit wurden Daten zweier Teilkonfigurationen IceCubes (22 und 40 Trossen) ausgewertet. Die Daten, die zwischen 2007 und 2009 gesammelt wurden, bestehen hauptsächlich aus atmosphärischen Myon-Neutrinos, die im Nordhimmel erzeugt wurden und hochenergetischen atmosphärischen Myonen aus dem Südhimmel. Eine zeitunabhängige Analyse, die nach Neutrino-Punktquellen im Nordhimmel sucht, wurde mit einem sensitivitäts-optimierten Datensatz von IceCube-22 durchgeführt. Die ganze Hemisphäre und eine Liste ausgewählter Quellen wurden analysiert, wobei kein Hinweis auf extraterrestrische Neutrino-Signale gefunden wurde. Um das Entdeckungspotenzial für eine variable Quelle zu erhöhen, wurde eine nicht-getriggerte zeitabhängige Analyse entwickelt. Diese Suche ist durch Neutrino-Photon-Korrelationen und Gammastrahlung-Ausbrüche kosmischer Objekte motiviert, jedoch wurden nur Neutrino-Daten verwendet. Ein grosser Bereich möglicher Strahlungsausbruchsdauer wurde abgedeckt. Die gebinnte Methode wurde zu einer ungebinnten Likelihood-Methode erweitert, so dass die Ergebnisse um 5-25% verbessert werden konnten. Auswahlkriterien für eine Liste zeitlich veränderlicher astrophysikalischer Quellen vom ganzen Himmel wurden für IceCube-22 und IceCube-40 entwickelt. Zum ersten Mal wurde eine zeitabhängige Suchmethode im Südhimmel benutzt. Es konnten keine Ereignisüberschüsse über dem Untergrund festgestellt werden. Demzufolge wurden obere Grenzen für Neutrinoflüsse aus diesen Quellen berechnet. / High energy neutrino astronomy relies on the predictions of neutrino fluxes coming from astrophysical objects, for example active galactic nuclei. In these models, neutrinos and gamma-rays are produced in hadronic processes, which require the acceleration of protons to very high energies. Since neutrinos hardly interact and travel towards Earth undeflected by magnetic fields, they can point back to their sources. IceCube, located at the South Pole, is a large volumen detector for high energy neutrinos. In this work, data from two partial configurations of IceCube (22 and 40 strings) are analyzed. The data cover 651 days, from 2007 to 2009, and consist mostly of atmospheric muon neutrinos in the Northern sky and high energy atmospheric muons in the Southern sky. A time integrated search for neutrino point sources in the Northern sky was developed and applied to an event sample obtained for the best sensitivity, with IceCube 22-string. The search was performed on pre-selected sources and the whole hemisphere was scanned. No evidence of a neutrino signal was found. In order to enhance the flare detection probability, an untriggered time dependent search that looks for neutrino events clustering in time from specific sources in the entire sky was developed. This search was motivated by neutrino-photon correlations and the observations of flaring objects in gamma-rays, but focuses only on the neutrino data, covering a wide range of possible flare durations. The search method was expanded from a binned approach to a newly developed unbinned likelihood method, improving the results by 5-25%. Moreover, for the first time the Southern sky was analyzed with a time dependent method. A source selection criteria was developed defining two lists of variable astrophysical sources, for IceCube 22 and 40-string. The results were compatible with background fluctuations for all sources tested. Therefore, upper limits on the neutrino fluence from these sources are presented.

Unter den Methoden zur Suche nach Neutrino Ereignissen in IceCube versprechen Suchen nach Teilchenschauern, sogenannten Kaskaden eine gute Energieauflösung und einen verhätlnismässig geringen atmosphärischen Untergrund. Dadurch erreichen solche Suchen eine hohe Sensitivität für einen extraterrestrischen Neutrino Fluss. Bisher beschränkte sich die Suche nach solchen Ereignissen auf solche in einer inneren Region des IceCube Detektors. Das Detektorvolumen am Rand wurde bisher benutzt um den Untergrund von einfallenden atmosphärischen Muonen zu Unterdrücken. Diese Dissertation präsentiert eine Analyse von 2 Jahren IceCube Daten und demonstriert die Möglichkeit, diese Veto Region für die Suche nach kaskadenartigen Ereignissen zu nutzen. Dadurch wird das nutzbare Detektorvolumen um « 80% vergrößert und die Statistik im hochenergetischen Bereich des Neutrino Spektrums durch das Hinzufügen von 18 Neutrino Kandidaten im Energiebereich von 34 - 578 TeV erhöht. Das Ergebnis ist in Übereinstimmung mit dem etablierten Nachweis eines extraterrestrischen Neutrino Flusses, eine reine Untergrund Hypothese kan mit 2.7 sigma verworfen werden und die Daten favorisieren einen extraterrestrischen Neutrino Fluss mit einem ungebrochen Potenzgesetz mit einem Index von γ ^ 2.50+-0.28 in guter Übereinstimmung mit bisherigen Ergebnissen von IceCube. / Among the analysis strategies used in IceCube, searches for neutrinoinduced particle showers, so called cascades, provide good energy resolution and a relative low atmospheric background. Therefore, they provide large sensitivity to the extraterrestrial neutrino flux. Previously, these searches have been constrained to neutrino interactions in a center region of the instrumented volume. The volume at the border and surrounding the detector was needed to veto the incident atmospheric muon background. This dissertation presents an analysis of two years of IceCube data and demonstrates the feasibility of using the veto region for cascade searches. This increases the usable detector volume by « 80% and improves the statistic in the high-energy tail of the neutrino spectrum by adding 18 neutrino candidates in the energy range from 34 to 576 TeV. The result is supports the established evidence for the extraterrestrial neutrino flux by rejecting the pure atmospheric background hypothesis at the 2.7 sigma level, the data prefers an extraterrestrial neutrino flux with a featureless power law with an index of γ^2.50+-0.28 well in agreement with previous IceCube results.

IceTop ist ein Detektorfeld fuer kosmische Strahlung, das momentan am Suedpol errichtet wird. Es ist Teil des IceCube-Observatoriums und wird nach Fertigstellung eine Flaeche von 1km^2 ueberspannen. Es zielt auf den Nachweis von Teilchenkaskaden ab, die von kosmischer Strahlung mit Energien im PeV-Bereich induziert werden. Die Dissertation beinhaltet die erste Analyse hochenergetischer kosmischer Strahlung mit IceTop. Zunaechst wird hierfuer die Lichtausbeute der Detektortanks untersucht. Dies ermoeglicht die Erstellung einer Erwartungswertverteilung der Schauersignale, und eines entsprechenden Likelihood-Rekonstruktionsalgorithmus. Die damit erreichten Aufloesungen werden untersucht und Effizienzen berechnet. Anschliessend wird das Ansprechverhaltenn von IceTop im Bezug auf die Energie genauer evaluiert. Aus den Ergebnissen werden Faltungsmatrizen fuer unterschiedliche Primaerteilchensorten extrahiert. Darauf basierend werden zwei Entfaltungsalgorithmen vorgestellt, und vier Faltungsmatrizen fuer verschiedene Kompositionsannahmen berechnet. Im August 2007 genommene Daten werden in drei Zenithwinkel-Abschnitte eingeteilt und separat mit den Kompositionsmodellen entfaltet. Die resultierenden Spektren decken einen Energiebereich von 1-80PeV ab. Mit der Forderung isotropen Flusses lassen sich Wahrscheinlichkeiten definieren, die sensitiv sind auf die Konsistenz der Kompositionsannahmen. Diese neue Methode ermoeglicht eine Untersuchung der Komposition ohne Zuhilfenahme weiterer Detektorkomponenten. Die Analyse zeigt eine klare Praeferenz der Modelle gemischter Komposition. Schliesslich wird das Spektrum mit der hoechsten relativen Wahrscheinlichkeit untersucht. Die gemessenen Parameter stimmen innerhalb der systematischen Fehler gut mit denen anderer Experimente ueberein. Die ermittelte Position des sogenannten Knies des Spektrums ist 3,1+-0,3(stat.)+-0,3(sys.)PeV, die Exponenten davor und danach sind -2,71+-0,07(stat.) und -3,110+-0,014(stat.)+-0,08(sys.). / IceTop is a square-kilometer scale detector array for highly energetic cosmic radiation. It is a part of the IceCube Observatory that is presently being built at the geographic South Pole. It aims for the detection of huge particle cascades induced by PeV cosmic rays in the atmosphere. This thesis presents the first analysis of highly energetic cosmic ray data taken with IceTop. First, the light response of the IceTop tanks is parametrised as a function of energy and particle type. An expectation function for the distribution of shower signals in the detector plane is developed. Based on that, a likelihood reconstruction algorithm is developed and its resolution and performance is studied. The resulting energy response of the array is investigated to set up response matrices for different primary nuclei and inclinations. Two unfolding algorithms are implemented, and response matrices are modeled for four different composition assumptions. With each assumption, energy spectra are unfolded for three different bins in inclination, using a data sample taken in August 2007. The range of the spectrum is 1-80PeV. Finally, a new analysis method is developed that uses the fact that cosmic rays in the PeV range are expected to be isotropic. It is shown that this requirement can be used for a likelihood estimation that is sensitive to composition without using additional information from other detector components. The analysis shows a clear preference of the mixed composition models over pure proton or iron assumption. The spectrum with the highest likelihood shows good agreement with results from other experiments within the systematic uncertainties. The found position of the so-called knee feature is 3.1+-0.3(stat.)+-0.3(sys.)PeV, the power indices before and after that are -2.71+-0.07(stat.) and -3.110+-0.014(stat.)+-0.08 (sys.).

Die Suche nach Neutrino-Punktquellen bietet eine Möglichkeit, astrophysikalische Teilchenbeschleuniger als Quellen der Kosmischen Strahlung zu identifizieren. Eine etablierte Methode in der Neutrinoastronomie ist die Messung der Tscherenkow-Strahlung induzierter Myonen in unterirdischen Detektoren. Die hier vorgestellte Analyse basiert auf Daten, die zwischen 2007 und 2008 mit IceCube, dem größten Neutrinoteleskop dieser Art, gesammelt wurden. Bisherige Neutrino-Punktquellensuchen waren auf eine Hemisphäre beschränkt gewesen, da nur aufwärts laufende Ereignisse betrachtet wurden, um den atmosphärischen Myon-Untergrund zu eliminieren. Hier wird gezeigt, dass der Bereich über dem Horizont durch eine energieabhängige Selektion miteinbezogen werden kann. Dies erhöht die Sensitivität für Energien oberhalb einiger PeV, die bisher aufgrund von Neutrinoabsorption unterhalb des Horizonts vollkommen unzugänglich waren. Zum Nachweis richtungsabhängiger Neutrinosignale wurde eine Musterung beider Himmelshälften durchgeführt. Modellvorhersagen für Aktive Galaktische Kerne dienten als Grundlage für separate Tests anhand einer Liste von Quellkandidaten und mittels einer zeitabhängigen Suche nach kurzen Neutrinoemissionen vom Blazar 3C279. Es konnten keine signifikanten Ereignisüberschüsse über dem Untergrund beobachtet werden. Daraus leiten sich die ersten oberen Neutrino-Flussgrenzen für Punktquellen am Südhimmel bei Energien bis in den EeV Bereich ab. Für bestimmte Quellkandidaten sind es die besten Einschränkungen für Neutrinovorhersagen bei PeV Energien. Mit den gleichen Ereignissen wurde eine Suche nach Korrelationen zwischen Neutrinos und den höchstenergetischen geladenen Teilchen der Kosmischen Strahlung durchgeführt. Die Ursprungsrichtungen von Luftschauern, veröffentlicht durch das HiRes Experiment und das Pierre Auger Observatorium, dienten zur Bestimmung solcher Koinzidenzen. Das Ergebnis ist im Einklang mit den Untergrunderwartungen. / Searching for point-like neutrino signals provides a chance of identifying astrophysical particle accelerators as sources of cosmic rays. An established approach to realise high energy neutrino astronomy is the observation of Cherenkov radiation from induced muon tracks in subsurface detectors. Presented here is an analysis based on data taken between 2007 and 2008 with IceCube, the largest of these neutrino telescopes. Neutrino point source searches had been so far restricted to one hemisphere, due to the exclusive selection of upward going events as a way of rejecting the atmospheric muon background. This work demonstrates that the region above the horizon can be included by suppressing the background through an energy-sensitive event selection. The approach improves the sensitivity above PeV energies, previously not accessible at all due to absorption of neutrinos from below the horizon. Both celestial hemispheres were scanned to identify neutrino fluxes from individual directions. Based on model predictions for Active Galactic Nuclei, separate tests were performed by compiling a list of specific neutrino source candidates and by searching for short neutrino flares from the blazar 3C279. No significant excesses above the atmospheric background were found. The resulting upper limits on neutrino fluxes are the first that cover point sources in the southern sky up to the EeV energy range. For certain source candidates, these limits provide the best constraints on models predicting neutrinos above PeV energies. Based on the same event sample, a search for correlations between neutrinos and the most energetic charged cosmic rays was performed. The arrival directions of air showers, reported by the HiRes experiment and the Pierre Auger Observatory, were used to determine such coincidences. The result of this study is compatible with the background hypothesis.

Das IceCube Neutrino Observatorium ist ein km^3-großes Neutrinoteleskop und befindet sich am geographischen Südpol. Das Ziel des Experiments ist es, kosmische Neutrinos nachzuweisen. Es wird erwartet, dass solche Neutrinos in Wechselwirkungen von hochenergetischer kosmischer Strahlung mit Materie oder Photonen in der Nähe ihrer Beschleunigungsumgebung entstehen. Der erste Nachweis für einen Fluss von kosmischen Neutrinos wurde von der IceCube-Kollaboration erbracht. Der Ursprung des Flusses ist noch nicht bekannt, dennoch können die Eigenschaften der Quellen durch eine Messung des Energiespektrums und der Zusammensetzung aus Elektron-, Muon-, und Tau-Neutrinos des Flusses eingeschränkt werden. Die vorliegende Arbeit stellt die erste umfassende Analyse von Daten des IceCube-Experiments im Hinblick auf diese Eigenschaften des Flusses dar. Hierfür wurden mehrere Datensätze kombiniert und gemeinsam analysiert. Es wurden experimentell beobachtete Verteilungen von rekonstruierter Energie, Zenithwinkel und Teilchen-Signatur mit Modellverteilungen angepasst. Unter der Annahme, dass der Fluss isotrop ist und zu gleichen Teilen aus allen Neutrino-Flavors besteht, wird das Spektrum durch ein Potenzgesetz mit Normalisierung (6.7_{-1.2}^{+1.1})x10^{-18}GeV^{-1}s^{-1}sr^{-1}cm^{-2} bei 100 TeV und spektralem Index -2.50+-0.09 zwischen Neutrino-Energien von 25 TeV und 2.8 PeV gut beschrieben. Ein spektraler Index von -2 kann mit einer Signifikanz von 3.8 Standardabweichungen ausgeschlossen werden. Die Flavor-Zusammensetzung ist kompatibel mit Erwartungen für Standard-Prozesse der Neutrino-Produktion. Die ausschließliche Produktion von Elektron-Neutrinos kann hingegen mit einer Signifikanz von 3.6 Standardabweichungen ausgeschlossen werden. Unter der Annahme, dass die Neutrino-Flavor während der Propagation von den Quellen zur Erde durch Standard-Neutrino-Oszillationen transformiert werden, beträgt der gemessene Anteil an Elektron-Neutrinos an der Erde (18+-11)%. / The IceCube Neutrino Observatory is a km^3-sized neutrino telescope located at the geographical South Pole. Its primary purpose is the detection of high-energy cosmic neutrinos. Such neutrinos are expected to be produced in interactions of high-energy cosmic rays with ambient matter or photons close to their acceleration sites. The IceCube Collaboration has reported the first evidence for a flux of high-energy cosmic neutrinos. While the origin of the flux remains unknown so far, the properties of its sources can be constrained by measuring its energy spectrum and its composition of electron, muon, and tau neutrinos. The present work constitutes the first comprehensive analysis of IceCube data with respect to these principal characteristics of the flux. Several data sets were assembled and simultaneously studied in a combined analysis. Experimentally observed distributions of reconstructed energy, zenith angle and particle signature were fitted with model distributions. Assuming the cosmic neutrino flux to be isotropic and to consist of equal flavors at Earth, the all-flavor spectrum is well described by a power law with normalization (6.7_{-1.2}^{+1.1})x10^{-18}GeV^{-1}s^{-1}sr^{-1}cm^{-2} at 100 TeV and spectral index -2.50+-0.09 for neutrino energies between 25 TeV and 2.8 PeV. A spectral index of -2 is disfavored with a significance of 3.8 standard deviations. The flavor composition is compatible with that expected for standard neutrino production processes at the sources. However, a scenario in which only electron neutrinos are produced is disfavored with a significance of 3.6 standard deviations. Assuming that standard neutrino oscillations transform the neutrino flavors during propagation from the sources to the Earth, the measured fraction of electron neutrinos at Earth is (18+-11)%.

English Version: When humans started looking out at a starry night, astronomy was born. Photons emitted by stars travel up to sometimes billions of light years to reach our eyes, and by studying the properties of this photon flux we are able to infer properties of the star itself. Instead of photons, the IceCube Observatory, located at South Pole, aims at detecting neutrinos and hopes to shed some light on the still unsolved mystery of cosmic-ray acceleration and production mechanisms, and on the most energetic phenomena of the Universe. At the time of this writing, IceCube has proven the existence of an astrophysical neutrino flux with a significance exceeding seven sigmas. Nevertheless, the observed astrophysical neutrino flux shows no significant directional clustering nor a clear association with any known source class so far. Also the latest results given by IceCube’s point source analysis show no significant clustering as well. It is therefore important to widen the search to different source topologies to maximize the discovery potential. In the first part of this work we present an extended source analysis with seven years of IceCube data, adding three years of data to the previous published work and implementing a novel likelihood formulation. Since the extensions of any potential sources are not known a priori, five different extensions have been considered, from 1° to 5°. No significant clustering is observed in any of the maps. The ability of IceCube to establish neutrino astronomy by finding neutrino sources is limited by the number of cosmic neutrinos measured. Despite the aforementioned discovery of an astrophysical flux, detailed spectral studies and searches for specific source locations in this signal remain a challenge with the event sample sizes available from the IceCube instrument. Therefore, a considerable expansion of the current detector, IceCube Gen2, is promoted, which includes the instrumentation of a 10 km3 volume, able to deliver substantial increases in the astrophysical neutrino sample for all flavors. Not only the hardware will be upgraded, but many systems will undergo improvements, such as communications and timing infrastructures. A new communication system has been investigated and is presented in the second part of this document. Binary Phase Shift Keying (BPSK), the simplest digital modulation technique, has been studied as possible communication technique for IceCube Gen2. / French Version: Quand les humains ont commencé à regarder le ciel étoilé, l’astronomie est née. Les photons émis par les étoiles voyagent parfois des milliards d’années lumière avant d’atteindre nos yeux, et c’est grâce à l’étude de ce flux de photons que l’on peut déduire les propriétés des étoiles mêmes. Au lieu des photons, l’Observatoire IceCube, situé au Pôle Sud, a pour but de détecter des neutrinos :il espère éclairer le mystère encore non résolu de l’accéleration et des mécanismes de production des rayons cosmiques, ainsi que des phénomènes les plus énergétiques de l’Univers. Au moment où ce document a été rédigé, IceCube a démontré l’existence d’un flux de neutrinos astrophysiques avec une signification statistique excédant sept sigmas. Cependant, le flux de neutrinos astrophysiques observé ne montre aucun regroupement directionnel significatif ni une évidence d’association avec aucune source connue à l’heure actuelle. De plus, les derniers résultats fournis par les analyses de sources ponctuelles de la collaboration IceCube ne montrent non plus aucun regroupement. Il est donc important d’étendre ces recherches vers des typologies de sources différentes pour maximiser le potentiel de son découverte. Dans la première partie de ce travail nous présentons une analyse de source étendue basée sur sept années de données d’IceCube, ce qui rajoute trois ans de données au travail précédemment publié tout en mettant en oeuvre une nouvelle formulation de maximum de vraisem- blance. Comme les extensions de sources potentielles ne sont pas connues à priori, cinq extensions différentes ont été considérées, de 1° à 5°. Aucun regroupement significatif n’a été observé sur aucune des cartes. La capacité d’IceCube de consolider l’astronomie neutrino en découvrant des sources de neutrinos est limitée par le nombre de neutrinos cosmiques mesuré. Malgré la découverte susmentionnée d’un flux astrophysique, les études détaillées de spectre ainsi que les recherches de sources spécifiques pour ce type de signal demeurent un défi, à cause de la limitation de taille disponible des échantillons avec l’instrument IceCube. Par conséquent, une expansion considérable du détecteur actuel, IceCube Gen2, est promue :elle inclut l’instrumentation d’un volume de 10 km3, apte à fournir une augmentation importante des échantillons de neutrinos de toutes les saveurs. Non seulement le hardware sera mis à niveau, mais de nombreux autres systèmes subiront des améliorations, comme les infrastructures de communication et de timing. Un nouveau système de communication a été étudié et est présenté dans la deuxième partie de ce document. Le Binary Phase Shift Keying (BPSK), la technique de modulation numérique la plus simple, a été étudiée comme technique potentielle pour IceCube Gen2. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Das IceCube Neutrino Observatory, das größte Neutrino-Observatorium der Welt, entdeckte 2013 erstmals einen Fluss hochenergetischer Neutrinos. Diese Neutrinos müssen von astrophysikalischen Beschleunigern erzeugt werden, aber ihr genauer Ursprung ist bisher unbekannt. Vorgeschlagene Neutrinoquellen sind Gezeitenkatastrophen (Tidal Disruption Events, TDEs), Ereignisse bei denen Sterne zerfallen, wenn sie supermassiven Schwarzen Löchern zu nahe kommen. In dieser Doktorarbeit wurde erstmals nach Korrelationen zwischen Neutrinos und TDEs gesucht, wobei eine Zusammenstellung veröffentlichter TDEs und ein IceCube-Datensatz von einer Million Myon-Neutrinos mit GeV-PeV-Energien von verwendet wurde. Es wurde keine signifikante Korrelation gefunden, sodass der Beitrag von TDEs ohne relativistische Jets auf 0-38,0% des gesamten astrophysikalischen Neutrinoflusses begrenzt werden kann. Der Beitrag von TDEs mit relativistischen Jets wurde auf 0-3,0% des Gesamtflusses begrenzt. IceCube veröffentlicht auch hochenergetische (>100 TeV) Myon-Neutrino-Ereignisse in Form von automatischen, öffentlichen Echtzeit-‘Neutrinoalerts’. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Lokalisierung von 22 solcher Neutrinoalerts mit dem optischen Zwicky Transient Facility (ZTF) Teleskop beobachtet, um nach möglichen elektromagnetischen Gegenstücken zu Neutrinos zu suchen. Mit diesem Neutrino-Nachfolgebeobachtungsprogramm wurde die helle TDE AT2019dsg als mutmaßliche Neutrinoquelle identifiziert. Die Wahrscheinlichkeit, solch eine helle TDE zufällig zu finden, beträgt 0,2%. Die Assoziation bedeutet, dass TDEs 3-100% der astrophysikalischen Neutrino-Alerts von IceCube ausmachen. Zusammengenommen deuten diese beiden Ergebnisse darauf hin, dass TDEs einen subdominanten Anteil des astrophysikalischen Neutrinoflusses bei hohen Energien emittieren. Die Assoziation des Neutrinoalerts IC191001A mit AT2019dsg ist erst das zweite Mal, dass ein hochenergetisches Neutrino mit einer mutmaßlichen astrophysikalischen Quelle in Verbindung gebracht werden konnte. / The IceCube Neutrino Observatory, the world’s largest neutrino observatory, first discovered a flux of high-energy neutrinos in 2013. These neutrinos must be produced by astrophysical accelerators, but their exact origin remains unknown. One proposed source of neutrinos are Tidal Disruption Events (TDEs), which occur when stars disintegrate after passing sufficiently close to supermassive black holes. In this thesis, the first search for neutrino-TDE correlations was performed, using a compilation of published TDEs and a dataset of one million muon neutrino events of GeV-PeV energies from IceCube. No significant correlation was found, limiting the contribution of TDEs without relativistic jets to 0-38.0% of the total astrophysical neutrino flux. The contribution of TDEs with relativistic jets was limited to 0-3.0% of the total flux. IceCube also publishes high-energy (>100 TeV) probable astrophysical muon neutrino events automatically, in the form of public realtime alerts. As part of this thesis, the location of 22 such neutrino alerts were observed by the Zwicky Transient Facility (ZTF), an optical telescope, in order to search for possible electromagnetic counterparts to neutrinos. With this neutrino follow-up program, the bright TDE AT2019dsg was identified as a probable neutrino source. The probability of finding such a bright TDE by chance is 0.2%. The association implies that TDEs contribute 3-100% of the astrophysical neutrino alerts issued by IceCube. Taken together, these two results suggest that TDEs emit a subdominant fraction of the astrophysical neutrino flux at high energies. The association of neutrino alert IC191001A with AT2019dsg represents only the second time that a high-energy neutrino has been matched to a probable astrophysical source.

Das IceCube Neutrino Observatory ist das größte Neutrinoteleskop der Welt und befindet sich am Südpol. IceCube hat im Jahr 2013 einen isotropen Fluss astrophysikalischer Neutrinos entdeckt, aber ihre Herkunft bleibt größtenteils unbekannt. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, nach den Quellen der energiereichsten Neutrinoereignisse zu suchen, die von IceCube detektiert wurden. Diese sogenannten ‘Neutrino Alert’- Ereignisse sind höchstwahrscheinlich astrophysikalischen Ursprungs. Diese Arbeit präsentiert die Ergebnisse der ersten IceCube Analyse, die nach Korrelationen zwischen einem Katalog von ‘Neutrino Alert’-Ereignisse und potenziellen Quellen sucht. Zwei Quellenklassen werden untersucht: Gammastrahlen-Blazare aus dem Fermi-LAT 4LAC-DR2-Katalog und radiohelle Aktive Galaktische Kerne aus dem RFC 2022a-Katalog. Beide Klassen wurden in vielen theoretischen Modellen als Neutrinoquellen vorgeschlagen. Sowohl aufgrund der extremen Beschleunigung, die in ihnen stattfindet, als auch der hohen Dichte ihrer umgebenden Materie. Um den Beitrag jeder Quelle im Katalog zum gesamten Ergebnis zu quantifizieren, wird ein Gewicht angewendet. Dieses Gewicht hängt vom Modell des Neutrinoproduktionsmechanismus ab. Für den Fermi-LAT 4LAC-DR2-Katalog werden zwei Gewichtungsschemata betrachtet: der normalisierte 10-Jahres-Durchschnittsenergiefluss in Gammastrahlen und der normalisierte Energiefluss im 1-Monats-Zeitintervall, das mit der Ankunftszeit des Neutrinos zusammenfällt. Für den RFC 2022a-Katalog werden die Quellen nach der Flussdichte gewichtet, die über VLBI-Bilder bei 8,6 GHz integriert ist. Es wurde keine signifikante Neutrinoemission in einer der drei Katalogsuchen festgestellt. Dieses Ergebnis ist mit einem kleinen Anteil von Quellen (< 1%), die Neutrinos hoher Energie emittieren, vereinbar. Als Teil dieser Doktorarbeit wird die Auswirkung von systematischen Unsicherheiten auf die Winkelrekon- struktion von ‘Neutrino Alert’-Ereignissen untersucht. Zwei Datensätze simulierter Ereignisse wurden erstellt, die eine Methode verwenden, die sicherstellt, dass alle Ereignisse innerhalb jeder definierten Kategorie ähnlich sind. Diese Ereignisse werden dann mit dem Algorithmus rekonstruiert, der für ‘Neutrino Alert’-Ereignisse angewendet wird. Die Ergebnisse dieser Studien zeigen, dass eine robusterer Umgang mit den systematischen Unsicherheiten erforderlich ist, da die Unsicherheitskonturen, die mit der aktuellen Methode berechnet werden, nicht den erwarteten Vertrauensniveaus für einzelne Ereignisse entsprechen. Darüber hinaus ermöglicht diese Arbeit zum ersten Mal einen direkten Vergleich mit anderen Rekonstruktionsalgorithmen, die eine bessere Winkelauslösung bei einem Bruchteil der Rechenkosten erreichen. / The IceCube Neutrino Observatory is the largest neutrino telescope in the world, located at the South Pole. IceCube discovered an all-sky isotropic flux of astrophysical neutrinos in 2013, but their origin remains mostly unknown. The goal of this thesis is to identify the sources of the most energetic neutrino events detected by IceCube. These so-called neutrino alert events are very likely to be of astrophysical origin. This work is the first analysis performed in IceCube that searches for correlations between a catalog of neutrino alert events and potential sources. Two source classes are considered, gamma-ray blazars from the Fermi-LAT 4LAC-DR2 catalog and radio-bright Active Galactic Nuclei from the RFC 2022a catalog. Both classes have been suggested as neutrino emitters in many theoretical models due to the extreme acceleration that happens inside and the high density of their surrounding matter. To quantify the contribution of each source in the catalog to the final result, a weight is applied. This weight depends on the model of the neutrino production mechanism. For the Fermi-LAT 4LAC-DR2 catalog, two weighting schemes are considered: the normalized 10-year average energy flux in gamma rays, and the normalized energy flux in the 1-month time bin that coincides with the neutrino arrival time. For the RFC 2022a catalog, the sources are weighted by the flux density integrated over VLBI images at 8.6 GHz. There is no significant neutrino emission in any of the three searches. This result is compatible with a small fraction of sources (< 1%) emitting neutrino alert events. As part of this thesis, the impact of systematic uncertainties on the angular reconstruction of neutrino alert events is studied. Two datasets of simulated events were created using a method that ensures the similarity of all events within each defined category. These events are then reconstructed with the algorithm that is applied to neutrino alert events. The results from these studies prove that a more robust treatment of the systematic uncertainties is needed, since the uncertainty contours calculated with the current method do not correspond to the expected confidence levels for individual events. Furthermore, this work enables a direct comparison to other reconstruction algorithms for the first time, revealing that these alternative methods achieve better angular resolution at a fraction of the computational cost.

In dieser Dissertation werden Daten aus drei Jahren vom vollständig fertiggestellten IceCube-Detektor benutzt um nach Neutrinos zu suchen, die in Dunkle-Materie-Annihilationen in fünf nahegelegen Zwerggalaxien, der M31 Galaxie und dem Virgo Galaxienhaufen produziert wurden. Um die Messung durchzuführen, wurde zunächst eine Ereignis-Selektion angewandt, die es ermöglicht, die von aus der Atmosphäre stammenden Teilchen dominierte Rate der Ereignisse von zirka 100 Hz auf 0.5 mHz zu reduzieren. Danach wird eine Maximum-Likelihood-Schätzer eingesetzt um zu bestimmen ob es ein Überschuss von Neutrinos aus der Richtung der jeweiligen Quellen gibt, der mit einen Energie-Spektrum übereinstimmt das mann für Dunkle-Materie-Annihilationen erwartet. Für die M31 Galaxie und den Virgo Galaxienhaufen wurde zusätzlich zu dieser Suche nach einer Punktquelle auch eine Suche für ein erweitertes Signal durchgeführt. In allen untersuchten Fällen ist das Ergebnis der Analyse vereinbar mit einer Messung der Hintergrund-Hypothese, und daraus wurden Limits für den über die Geschwindigkeit gemittelten Wirkungsquerschnitt für Dunkle-Materie-Annihilation für verschiedene Endprodukte bestimmt. Für hohe Dunkle-Materie-Massen gibt es ein Überschuss von Neutrinos aus drei der Zwerggalaxien. Dieser Überschuss hat einen globalen p-Wert von 4.9% und ist damit nicht statistisch signifikant. Die Suche für ein erweitertes Signal von der M31 Galaxie und dem Virgo Galaxienhaufen ergab keinen Überschuss. Die Limits auf den über die Geschwindigkeit gemittelten Wirkungsquerschnitt für Dunkle-Materie-Annihilation haben sich im Vergleich zu vorherigen IceCube-Analysen signifikant verbessert, um bis zu einer Größenordnung. Diese ist teilweise auf Grund Verbesserungen für diese Analyse besonders: eine verbesserte Ereignis-Selektion, und für die Analyse ist eine Maximum-Likelihood-Schätzer eingesetzt statt eine Analyse in ein Suchfenster. / In this thesis, three years worth of data from the completed IceCube detector is used to search for neutrinos produced in dark matter annihilations in five nearby dwarf galaxies, the M31 galaxy and the Virgo cluster. To do this, an event selection which was developed for this analysis is applied to the data sample to reduce the atmospheric background rate from approximately 100 Hz to less than 0.5 mHz. Then, an unbinned maximum likelihood method is used to determine whether there is an excess of neutrinos from the direction of the considered galaxies or galaxy cluster that has an energy spectrum that matches the spectrum expected from dark matter annihilations. For the M31 galaxy and the Virgo cluster an extended signal with a two-dimensional Gaussian shape and width up to 5 degrees is also considered. In all cases, the results of the analysis are compatible with the background-only hypothesis and limits are set on the velocity-averaged dark matter annihilation cross section for different annihilation channels. For high dark matter masses there is an excess of neutrinos from three of the five dwarf galaxies. This excess has a global p-value of 4.9%, so it is not statistically significant. The search for an extended emission from the direction of the M31 galaxy and the Virgo cluster also did not result in an excess: in both cases the global p-value is larger than 50%. The limits on the velocity-averaged dark matter annihilation cross section have improved significantly (up to an order of magnitude) with respect to the previous IceCube analysis considering these same targets. This is partially due to improvements to this analysis specifically: an improved event selection was used to select the final data sample and an unbinned maximum likelihood method was used for the final analysis instead of a binned analysis method.

Drei Botenteilchen koennen benutzt werden, um Informationen ueber Quellen der Kosmischer Strahlung zu erhalten: Photonen, geladene Teilchen und Neutrinos. In dieser Arbeit wird anhand von Beobachtungsdaten und theoretischen Modellen der Zusammenhang zwischen extrem hochenergetischer Gammastrahlung und Neutrinos untersucht. Um die Wahrscheinlichkeit fuer die Entdeckung einer Neutrino-Punktquelle zu erhoehen, wurden neue Ansaetze entwickelt. Zum einen wurde fuer 7 Objekte eine Suche nach Zeit- und Richtungskorrelationen zwischen Neutrinoereignissen, registriert vom AMANDA-II Teleskop am Suedpol, und den von IACT-Teleskopen im Zeitraum 2004-2006 beobachteten Gammastrahlungsausbruechen durchgefuehrt. Zum anderen wurde das selbe AMANDA-II Datensatz analysiert, unter Verwendung eines neuen Algorithmus zur Suche nach Strukturen in der zeitlichen Verteilung von Neutrino-Ereignissen aus einer vordefinierten Richtungen. Keine der Analysen fuehrte zur Entdeckung einer Neutrino-Punktquelle. Die zeitlich lueckenhafte Aufzeichnung von TeV Gammastrahlungs Daten, stellt eine der schwerwiegendste Einschraenkung bei Korrelationsstudien dar. Dieses Problem wurde in der vorliegenden Arbeit durch die Analyse historischer IACT Daten und neuer Ergebnisse des MAGIC AGN Beobachtungsprogramms beruecksichtigt. Anhand dieser Daten konnte eine statistische Analyse der verschiedenen Emissionszustaende zweier extragalaktischer Gammastrahlungsquellen durchgefuehrt werden. Aufgrund einer zu geringen Statistik der Messungen konnten jedoch keine endgueltigen Schluesse ueber die Wahrscheinlichkeit, diese Quellen in einem Emmisionszustand oberhalb eines gewissen Schwellenwertes anzufinden, gezogen werden. Fuer die zwei Quellen, Mrk501 und 1ES1959+650, werden hier die Ergebnisse des MAGIC AGN Beobachtungsprogramms von 2007 bis 2008 vorgestellt. Beide Quellen wurden in einem aehnlich niedrigen Zustand vorgefunden und wiesen maessige Variabilitaet und keine auffaelligen Ausbrueche auf. / Three messengers can be used to extract information about the sources of cosmic rays: photons, charged particles and neutrinos. In this work the connection between the TeV gamma-rays and neutrinos is investigated in the context of recent observations and theoretical models. In order to increase the probability of detecting a neutrino point source two new approaches were developed. First, a correlation study of possible time and directional coincidences of neutrino events, detected by the AMANDA-II telescope at the South Pole, and gamma-ray flares, observed by the Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes in the years 2004-2006, was performed for 7 objects. Secondly, the same AMANDA-II data set was analyzed using a new algorithm which looks for structures in the time distribution of the neutrino events from pre-defined directions. None of the analysis resulted in a detection of a neutrino point source. The sparse time and flux state coverage of the TeV gamma-ray data is one of the most serious issues connected with any correlation study involving photons from the high energy range. This problem was addressed in this work by an analysis of historical gamma-ray data and of the recently obtained results from the MAGIC AGN monitoring program. Based on this data a statistical analysis of different emission states of two extragalactic TeV gamma-ray sources, was performed. Due to still low flux statistics, no final conclusions concerning the probability of finding those sources in a flux state above a certain threshold can be made. The results of the MAGIC AGN monitoring program from the observational season 2007/2008 are presented here, for two sources: Mrk501 and 1ES1959+650. Both sources were found in a similarly low state and show moderate variability with no prominent flares. Since a part of the 2008 monitoring data of Mrk501 was collected during a multiwavelength campaign a modeling of its broad-band Spectral Energy Distribution is also discussed.