[EN] Neutrino astronomy is a booming field in astroparticle physics. Due to the particular characteristics of neutrinos, these particles offer great advantages as probes for the study of the far and high-energy Universe. It is extensively accepted by the scientific community that a multi-messenger approach with the combination of information provided by neutrinos, photons and charged particles (cosmic rays) is possible to obtain a more complete image of the fundamental astrophysics processes taking place in our Universe. Since neutrinos are neutral and very weak interacting particles they can reach the Earth from astrophysical sources without deflection by magnetic fields and almost without energy losses and absorption, contrarily to the rest of messengers. The other side of the coin of neutrino properties is that detection of neutrinos is very challenging and big highly instrumented detection volumes are needed. Natural media (deep sea, lakes or ice in the Antarctica) host this kind of experiments using the water (or ice) as target material where the neutrino interaction is produced. ANTARES is the first undersea neutrino telescope, located at 2475 m depth in the Mediterranean Sea. ANTARES is optimized for optical detection of the Cerenkov light induced by relativistic muons produced by high energy neutrino interactions near the detector. The charge, position and arrival time of the photons to the optical modules which compose the detector allows the muon track reconstruction, and thus, knowing the neutrino coming direction. Some information of the event energy is also derived. ANTARES is also hosting the AMADEUS experiment which is investigating the feasibility of the acoustic detection of Ultra-High Energy (UHE) neutrinos. The framework of this thesis is the ANTARES experiment. As commonly done in the thesis developed in this experiment (and in this field), the work has been divided in two different areas. On the one hand, a part more devoted to technological aspects related to the detector and, on the other hand, a part dedicated to ANTARES data analysis. The first part of the thesis is focused in the development of a calibrator able to reproduce the acoustic signal generated in the UHE neutrino interaction with a water nucleus which, roughly speaking, generates a highly directive bipolar acoustic pulse. Having a good calibrator is crucial to test and tune the telescope response for this kind of signals. The second part of the thesis, the data analysis part, is centred in the analysis of the ANTARES data in order to constrain possible Dark Matter models. This work is focused on the detection of products resulting of the Dark Matter annihilation trapped in the centre of the Sun. Specifically, the Secluded Dark Matter (SDM) model has been tested by the detection of di-muons (co-linear muon pair) and/or neutrinos coming from Sun direction. Broadly speaking, this model is based on the idea of the existence of a mediator resulting of the Dark Matter annihilation which, subsequently, would decay into standard model particles as muons or neutrinos. These models have been proposed in order to explain some experimental "anomalies" observed, such as the electron-positron ratio spectrum detected in satellites, measured recently with high accuracy by AMS-II. The study of this thesis constitutes the first search of experimental evidences of this kind of models in neutrino telescopes. / [ES] La astronomía de neutrinos es un campo en auge dentro de la Física de Astropartículas. Los neutrinos ofrecen grandes ventajas como sondas para estudiar el Universo lejano y de alta energía. Es extensamente aceptado que mediante la combinación de la información que proporcionan los neutrinos junto a la obtenida mediante fotones de alta energía (rayos gamma) y partículas cargadas (rayos cósmicos) se podría obtener una imagen más completa de los procesos astrofísicos fundamentales que tienen lugar a lo largo de nuestro Universo.La razón fundamental por la que los neutrinos son tan altamente valorados como mensajeros es la baja interacción con el medio que los rodea. Al ser partículas sin carga interactúan muy débilmente con la materia, por ello pueden escaparse de la fuente donde se han producido y, al contrario de lo que ocurre con el resto de mensajeros, pueden llegar a la Tierra sin ser desviados por los campo magnéticos y sin prácticamente pérdida de energía. Esta misma razón que los hace tan valorados es a su vez la que los hace tan difíciles de detectar. Se impone la necesidad de construir detectores de grandes volúmenes, del orden del km3, altamente instrumentados. Se utilizan medios naturales (en el fondo del mar, en lagos o en enterrados en el hielo de la Antártida) aprovechando el agua (o hielo) como material diana donde se espera que interaccione el neutrino. ANTARES es el primer telescopio submarino de neutrinos construido en el fondo del mar Mediterráneo. Está optimizado para la detección óptica de la luz Cherenkov inducida por los muones relativistas producidos en la interacción de neutrinos de alta energía en los alrededores del detector. La información de la carga, posición y tiempo de llegada de los fotones a los fotomultiplicadores que componen el detector permite tanto la reconstrucción de la trayectoria del neutrino como el conocimiento de su energía. Además, ANTARES acoge el experimento AMADEUS mediante el cual se está investigando y testeando la detección acústica de neutrinos de muy alta energía que, al interaccionar en el agua, producen un pulso termo-acústico que se pretende registrar con una red de hidrófonos. El trabajo desarrollado en esta tesis se engloba bajo el marco del experimento ANTARES. Como es común en las tesis desarrolladas en este experimento, el trabajo se ha dividido en dos áreas diferenciadas: por un lado, una parte de enfoque más tecnológico y, por otro lado, una parte analítica de datos tomados por el telescopio. La primera parte de la tesis está centrada en el desarrollo de un calibrador capaz de reproducir la señal acústica que se emite en la interacción de un neutrino de alta energía con un núcleo de agua que, generalizando, es un pulso bipolar altamente directivo. El disponer de un buen calibrador es clave a la hora de testear la detección acústica en el telescopio y poder sintonizar y "entrenar" los los receptores para este tipo de señales. La segunda parte de la tesis se ha centrado en el análisis de datos registrados por ANTARES con el fin de contrastar posibles modelos astrofísicos para la búsqueda de materia oscura. Este trabajo ha focalizado en la detección de los productos de la aniquilación de materia oscura atrapada en el centro del Sol. Se ha testeado el modelo de Secluded Dark Matter (SDM) a través de la detección de di-muones (pareja de muones co-lineales) y neutrinos en la dirección del Sol. A grandes rasgos, este modelo se basa en la idea de la existencia de un mediador resultado de la aniquilación de materia oscura que posteriormente decaería en partículas del modelo estándar como muones o neutrinos. Estos modelos han sido propuestos con el fin de explicar ciertas 'anomalías' experimentales observadas, tales como el espectro del flujo de positrones detectado en satélites, medido recientemente con gran precisión por AMS-II. realizado en esta tesis constituye la primera búsqueda de evidencias / [CA] L'astronomia de neutrins és un camp en auge dins la Física d'Astropartícules. Els neutrins ofereixen grans avantatges com a sondes per estudiar l'Univers llunyà i d'alta energia. Es extensament acceptat que mitjançant la combinació de la informació proporcionada pels neutrins junt a la obtinguda mitjançant fotons d'alta energia (rajos gamma) i partícules carregades (rajos còsmics) es podria obtindre una imatge més completa dels processos astrofísics fonamentals que es donen al llarg del nostre Univers. La raó fonamental per la qual els neutrins són altament valorats com a missatgers és la baixa interacció amb el medi que els envolta. Al ser partícules sense càrrega interactuen molt dèbilment amb la matèria, per això poden escapar-se de la font on s'han produït i, al contrari del que ocorre amb la resta de missatgers, poden arribar a La Terra sense desviar-se pels camps electromagnètics i sense pràcticament pèrdua d'energia. Aquesta mateixa raó que els fan tan valorats és al mateix temps la que els fa tan difícil de detectar. S'imposa la necessitat de construir detectors amb grans volums de detecció, de l'ordre del km3, altament instrumentats. S'utilitzen medis naturals (al fons de la mar, en llacs, al gel de l'Antàrtida) aprofitant l'aigua (o el gel) com a material diana on interaccionen el neutrins. ANTARES és el primer telescopi submarí de neutrins construït al fons de la mar Mediterrània. Està optimitzat per a la detecció òptica de la llum de Cherenkov induïda pels muons relativistes produïts en la interacció de neutrins d'alta energia als voltants del detector. La informació de la carrega, posició i temps d'arribada dels fotons als fotomultiplicadors que composen el detector permet tant la reconstrucció de la trajectòria del neutrí, amb gran resolució angular, com el coneixement de la seua energia. A més, ANTARES acull l'experiment AMADEUS mitjançant el qual s'està investigant i testejant la detecció acústica de neutrins de molt alta energia, que, al interaccionar a l'aigua produeixen un pols termo-acústic que es pretén registrar amb una xarxa d'hidròfons. El treball dut a terme en esta tesi s'engloba baix el marc de l'experiment ANTARES. Com es comú en les tesis desenvolupades en aquest experiment, el treball s'ha dividit en dues àrees diferenciades: per una banda una part d'enfocament mes tecnològic i, d'altra banda, una part analítica de les dades preses pel telescopi. La primera part de la tesi està centrada en el desenvolupament d'un calibrador capaç de reproduir la senyal acústica que es genera en la interacció d'un neutrí d'alta energia amb un nucli de l'aigua que, generalitzant, és un pols bipolar altament directiu. Disposar d'un bon calibrador es clau a l'hora de testejar la detecció acústica al telescopi i poder sintonitzar i "entrenar" els receptors a aquest tipus de senyals. La segona part de la tesi, amb caràcter d'anàlisi de dades, s'ha centrat en l'anàlisi de les dades registrades per ANTARES amb el fi de contrastar possibles models astrofísics per a la recerca de matèria fosca. Aquest treball es centra en la detecció dels productes d'aniquilació de matèria fosca atrapada al centre del Sol. En concret, s'ha testejat el model de Secluded Dark Matter (SDM) a través de la detecció de di-muons (parell de muons co-lineals) i neutrins en la direcció del Sol. A grans trets, aquest model es basa en la idea de l'existència d'un mediador resultat de l'aniquilació de matèria fosca que posteriorment decauria en partícules del model estàndard com muons o neutrins. Aquests models han sigut proposats amb la fi d'explicar certes "anomalies" experimentals observades, tals com l'espectre del flux de positrons detectat en satèl¿lits, mesurat recentment amb gran precisió per AMS-II. L'estudi realitzat en esta tesi constitueix la primera recerca d'evidències experimentals d'aquest tipus de models en telescopis de neutrins. / Adrián Martínez, S. (2015). Design and Development of an Acoustic Calibrator for Deep-Sea Neutrino Telescopes and First Search for Secluded Dark Matter with ANTARES [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/48877

[pt] Conforme entramos na era de precisão da astronomia multimensageira, novas janelas se abrem para compreendermos melhor o Universo, desde a escala quântica até a escala cósmica. Em particular, o estudo de fenômenos astrofísicos de altas energias tem nos permitido acessar os ambientes mais extremos conhecidos pela humanidade, bem como obter avanços sem precedentes no domínio da física de partículas. Esta tese resume as descobertas importantes da astrofísica multi-mensageira ao longo dos anos, e, em seguida, foca a sua atenção em três tópicos relevantes que estão atualmente sendo investigados neste campo. Primeiramente, abordamos o problema da propagação de raios gama no espaço. Interações durante este processo levam à formação de cascatas eletromagnéticas que se desenvolvem ao longo de distâncias cosmológicas. Apresentaremos um código semi-analítico chamado “γ-Cascade”, que calcula os fluxos na Terra resultantes de tais cascatas. Também exploramos a possibilidade de se produzir neutrinos em cascatas ocorrendo a energias ultra-altas. Em segundo lugar, estabeleceremos uma relação multimensageira nova e original entre os fluxos medidos de neutrinos astrofísicos entre TeV–PeV e raios cósmicos ultra-energéticos. Para isso, utilizaremos nossas observações precisas de raios gama em energias abaixo de TeV, demonstrando o poder de uma análise multimensageira. Finalmente, estudaremos a evolução da composição de sabor de neutrinos produzidos em supernovas. Nosso novo método permite previsões genéricas sobre os possíveis sabores de neutrinos medidos na Terra. São levados em consideração os efeitos de matéria dentro dos ambientes densos de supernovas, enquanto permanecemos completamente agnósticos em relação ao resultado das conversões auto-induzidas de sabor em seus núcleos. / [en] As we enter the precision era of multi-messenger astronomy, new windows are opened for us to better understand the Universe, from quantum to cosmic scales. In particular, the study of high-energy astrophysical phenomena has allowed us to probe the most extreme environments known to mankind, as well as obtain unprecedented breakthroughs within the realm of particle physics. This thesis summarizes the important findings of multi-messenger astrophysics over the years, before focusing its attention to three relevant topics currently being investigated in the field. Firstly, we tackle the problem of γ-ray propagation in space. High center-of-momenta interactions during this process leads to the formation of electromagnetic cascades that develop over cosmological distances. We describe a semi-analytical code called “γ-Cascade, which calculates the fluxes at the Earth resulting from such cascades. We also explore the possibility of producing neutrinos in ultra-high-energy cascades. Secondly, we establish a new, original multi-messenger connection between the measured fluxes of TeV–PeV astrophysical neutrinos and ultra-high-energy cosmic rays. This is done by taking advantage of our precise γ-ray observations at sub-TeV energies, demonstrating the power of multi-messenger analyses. Finally, we study the evolution of the flavor composition of supernova neutrinos in a model-independent way. Our novel method allows for predictions of the neutrino flavor content measured at the Earth from supernovae, accounting for matter effects within its dense environment, while remaining completely agnostic about the outcome of self-induced flavor conversions in its core.

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.

Galaktische und extra-galaktische Objekte sind in der Lage geladene Teilchen (die kosmische Strahlung) zu sehr hohen Energien zu beschleunigen. Allerdings sind noch viele Fragen bezüglich dieser Objekte und der Beschleunigungsmechanismen offen. Sowohl Gammastrahlung als auch Neutrinos werden von den Quellen kosmischer Strahlung erwartet. Ihr Nachweis ermöglicht die Studie dieser kosmischen Teilchenbeschleuniger. Gammastrahlung wurde von galaktischen und extra-galaktischen Objekten beobachtet. Für viele dieser Objekte ist es jedoch nicht eindeutig ob diese Gammastrahlung ein Resultat der Beschleunigung kosmischer Strahlen ist. Für Neutrinos besteht diese Zweideutigkeit nicht, sie sind eindeutige Spuren der Beschleunigung kosmischer Strahlen. Der Südhimmel beheimatet viele galaktische Objekte von denen Gammastrahlung im GeV und TeV Bereich beobachtet wird. Die Detektion von Neutrinos wäre ein Beweis für die Beschleunigung kosmischer Strahlung. Der Nachweis dieser Neutrinos mit IceCube wird durch den großen Untergrund von atmosphärischen Myonen erschwert. Die hier verwendete Analyse ist auf die Selektion von Myonspuren aus Wechselwirkungen von Myonneutrinos im Detektorvolumen spezialisiert. Energieverlust und Richtung der resultierenden Myonspur wird rekonstruiert. Diese Informationen werden verwendet um nach potentiellen Quellen astrophysikalischer Neutrino im Rahmen einer ungebinnten Likelihoodanalyse zu suchen. Daten die zwischen 2011 und 2015 mit IceCube genommen wurden werden für diese Analyse verwendet. Der Fokus liegt auf Neutrinos mit Energien zwischen ein paar TeV und 100 TeV. In diesem Energiebereich wird die Sensitivität für die Detektion einer Neutrinopunktquelle um einen Faktor zwei (oder besser) verbessert. Die Resultate für eine Liste von 96 Quellkandidaten und für eine offene Suche am gesamten Südhimmel werden präsentiert. Es wurde keine signifikante Abweichung von der Untergrundhypothese gefunden. Daraus resultieren Limitationen für Neutrinoemissionen. / There are accelerators in the universe that can accelerate charged particles (cosmic rays) to very high energies. Many questions regarding these accelerators are still open. Gamma rays and neutrinos are particles expected from sites of cosmic ray acceleration and can be used to study the environment and acceleration mechanisms of these sites. While sources for both galactic and extra-galactic gamma rays have been observed, it is often unclear whether these gamma rays are by-products of cosmic ray acceleration. This ambiguity does not exist for neutrinos. An astrophysical neutrino flux has been measured by the IceCube detector. Single sources have not been resolved yet. The part of the sky visible from the southern hemisphere hosts many galactic sources observed in GeV and TeV gamma-rays. Detection of neutrinos from these sources would identify them as acceleration sites and lead to a better understanding of the environment of the acceleration sites and the acceleration mechanisms. However, this is difficult due to the vast background of atmospheric muons also detected in the IceCube detector. For this thesis, a data selection was developed that reduces this background by using parts of the detector as veto. This selection focuses on the selection of muon-tracks from muon-neutrino interactions inside the detector volume. The direction and the energy-profile of these tracks can be reconstructed. This information is used to search for potential sources using an unbinned likelihood method. This analysis uses data taken between 2011 and 2015. In contrast to earlier IceCube analyses this analysis is optimized for energies between a few TeV and 100 TeV and improves the sensitivity of the detector for a point-like source by factor of two (or better) in this energy range. Results for a list of 96 sources observed in TeV gamma-rays and a sky-scan are presented. No significant overfluctuation has been observed and limits on the neutrino emission of the sources are given.

Zur Zeit wird das IceCube Neutrino-Teleskop am Südpol im Eis der Antarktis installiert, die Hälfte des Detektors ist bereits im Betrieb. Bei Fertigstellung im Jahr 2011 wird mehr als 1 km^3 Eis mit Photovervielfachern instrumentiert sein. IceCube bietet damit eine einzigartige Möglichkeit, die Quellen der kosmischen Strahlung mit Hilfe hochenergetischer Neutrinos zu finden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Sensitivität des kompletten Icecube Detektors für den Nachweis eines diffusen Flusses von Elektronneutrinos bestimmt. Ziel war es, die Eigenschaften des Detektors für Energien oberhalb von einem PeV zu bestimmen. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Simulation von elektromagnetischen Kaskaden gelegt, die in Neutrino-Nukleon-Wechselwirkungen auftreten. Da existierende Parametrisierungen die Unterdrückung der Wechselwirkungsquerschnitte durch den LPM-Effekt nicht beinhalten, wurde eine Simulation des Energieverlustes von elektromagnetischen Kaskaden für Energien oberhalb von 1 PeV entwickelt, die entsprechend modifizierte Wirkungsquerschnitte verwendet. Die Analyse, die in dieser Arbeit vorgestellt wird, nutzt die komplette Information des durch einen Photovervielfacher aufgezeichneten Ladungsverlaufes aus, die mit der Datennahme des IceCube Detektors zur Verfügung steht. Es werden neue Methoden entwickelt, um zwischen atmosphärischen Myonen-Hintergrund- und Signalereignissen von Kaskaden aus Neutrino-Nukleon-Wechselwirkungen zu unterscheiden. Die erreichbare Sensitivität innerhalb einer Laufzeit von einem Jahr ist 1.5*10^-8 E^-2 GeV/(cm^2 sr s) in einem Energiebereich von 16 TeV bis 13 PeV für den Nachweis von Elektronneutrinos eines diffusen Flusses. Eine Verbesserung von mindestens einer Größenordnung wird erwartet, wenn alle Neutrinofamilien in die Analyse einbezogen werden. Damit sollte eine Sensitivität erreicht werden, die auf dem gleichen Niveau einer diffusen Myonenanalyse liegt. / IceCube is a neutrino telescope currently under construction in the glacial ice at South Pole. At the moment half of the detector is installed, when completed it will instrument 1 km^3 of ice providing a unique experimental setup to detect high energy neutrinos from astrophysical sources. In this work the sensitivity of the complete IceCube detector for a diffuse electron-neutrino flux is analyzed, with a focus on energies above 1 PeV. Emphasis is put on the correct simulation of the energy deposit of electromagnetic cascades from charged-current electron-neutrino interactions. Since existing parameterizations lack the description of suppression effects at high energies, a simulation of the energy deposit of electromagnetic cascades with energies above 1 PeV is developed, including cross sections which account for the LPM suppression of bremsstrahlung and pair creation. An attempt is made to reconstruct the direction of these elongated showers. The analysis presented here makes use of the full charge waveform recorded with the data acquisition system of the IceCube detector. It introduces new methods to discriminate efficiently between the background of atmospheric muons, including muon bundles, and cascade signal events from electron-neutrino interactions. Within one year of operation of the complete detector a sensitivity of 1.5*10^-8 E^-2 GeV/(cm^2 sr s) is reached, which is valid for a diffuse electron-neutrino flux in the energy range from 16 TeV to 13 PeV. Including all neutrino flavors in this analysis, an improvement of at least one order of magnitude is expected, reaching the anticipated performance of a diffuse muon analysis.

Aktive galaktische Kerne (AGN) gehören zu den besten Quellkandidaten der hochenergetischen kosmischen Strahlung. Es wird erwartet, dass hochenergetische Neutrinos durch Interaktion der kosmischen Strahlung mit Materie oder Photonfeldern in der Nähe der Quellen erzeugt werden. Der resultierende Neutrinofluss kann dieselbe Zeitvariabilität aufweisen wie elektromagnetische Strahlung die von diesen Quellen emittiert wird. Diese Zeitvariabiltät kann in Neutrinoanalysen zusätzlich zu Energie-und Ortsinformationen benutzt werden, um die Detektionswahrscheinlichkeit zu erhöhen. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei neue Methoden entwickelt, welche benutzt werden um nach Neutrino-flares in Aktiven Galaktischen Kernen zu suchen: Die Multi-flare und Multi-flare-Stacking-Methode. Die Multi-flare-Methode ist so entworfen, dass sie nicht nur sensitiv auf einen hellen Flare ist, sondern auch auf weitere schwächere Flares welche normalerweise individuell nicht detektiert werden können. Die Multi-Flare-Methode benötigt keine Zeitkoinzidenz mit Ausbrüchen im elektromagnetischen Spektrum. Sie ist auch sensitiv auf unkorrelierter Neutrinoemission mit unterschiedlicher Dauer der einzelnen Flares, was in einigen Emissionsmodellen vorkommt. Die Multi-Flare-Stacking-Methode ist eine Erweiterung der Multi-Flare-Methode auf zusätzliche Quellen. In ihr werden mehrere schwache, variable Quellen, welche individuell zu schwach sein können um detektiert zu werden, zusammen mit der Stackingmethode analysiert. Die beiden Analysemethoden werden auf eine vorselektierte Liste von Aktiven Galaktischen Kernen angewandt. Hierfür werden drei Jahre Daten des IceCube Neutrinoteleskops verwendet (Mai 2009-June-2012). Kein statistisch signfikanter Neutrinoflare wurde gefunden und obere Fluenzgrenzen f ̈ur jede der Quellen werden ausgerechnet. Diese Grenzen sind im Durchschnitt um einen Faktor zwei besser als vorherige Obergrenzen von Analysen einzelner Flares. / Active Galactic Nuclei are among the best candidate sources for high-energy cosmic rays. High-energy neutrinos are expected to be produced in these sources via interactions of cosmic rays with matter or photon fields present in the source vicinity. The resulting neutrino flux may exhibit time variability on the same time scales than the ones observed in the electromagnetic radiation that is emitted from these sources. Time variability can be taken into account in high-energy neutrino searches in order to increase their detection probability with respect to search methods that include only energy and spatial information. In this work, two new methods are developed to look for high-energy neutrino flares emitted from Active Galactic Nuclei: the Multi-flare and Multi-flare stacking method. The Multi-flare method is designed to be sensitive not only to one bright flare emitted from a single source, as considered in other existing search methods, but also to several weak flares that might not be detected individually. This is achieved by developing a likelihood stacking approach that analyzes the cumulative neutrino emission from several flares. This method does not assume a-priori time coincidences with photon flares observed in the electromagnetic spectrum, allowing uncorrelated neutrino emission with different flare durations as considered in some emission models. The Multi-flare stacking method is an extension of the Multi-flare method to include several sources that might be too weak for individual detection. The two search methods are applied to a pre-selected list of Active Galactic Nuclei using data of the IceCube Neutrino Observatory (May-2009 to May 2012). No statistically significant neutrino flares are detected and fluence upper limits are calculated for each selected source. These limits are on average a factor of two better than previous upper limits from single-flare searches.

Neutrinooszillationen sind das einzige Phänomen jenseits des Standardmodells, das experimentell mit hoher statistischer Signifikanz bestätigt wurde. Diese Arbeit präsentiert eine Messung der atmosphärischen Neutrinooszillationen unter Verwendung von acht Jahren an Daten, die zwischen 2011 und 2019 vom IceCube DeepCore-Detektor aufgenommen wurden. Die Ereignisauswahl wurde im Vergleich zu früheren DeepCore-Messungen verbessert, wobei ein besonderes Augenmerk auf ihre Robustheit gegenüber systematischen Unsicherheiten in den Detektoreigenschaften gelegt wurde. Die Oszillationsparameter werden über eine Maximum-Likelihood-Fit an gebinnte Daten in der gemessenen Energie und Zenitwinkel geschätzt, wobei die Erwartungswerte aus gewichteten simulierten Ereignissen abgeleitet werdem. Diese Arbeit diskutiert den Simulations- und Datenauswahlprozess sowie die statistischen Methoden, die verwendet werden, um einen genauen Erwartungswert unter variablen Detektoreigenschaften und anderen systematischen Unsicherheiten zu liefern. Die Messung wird zunächst unter Verwendung des Standardmodells der Drei-Flavor-Oszillation durchgeführt, wobei das atmosphärische Massensplitting und der Mischwinkel auf $\Delta m^2_{32} = 2.42_{-0.75}^{+0.77} \times10^{-3};\mathrm{eV}^2$ und $\sin^2\theta_{23} = 0.507_{-0.053}^{+0.050}$ geschätzt werden. Das Drei-Flavor-Modell wird dann um einen zusätzlichen Masseneigenzustand erweitert, der einem sterilen Neutrino mit Massensplitting $\Delta m^2_{41} = 1;\mathrm{eV}^2$ entspricht und mit den aktiven $\nu_\mu$- und $\nu_\tau$-Flavorzuständen mischen kann. Es wird kein signifikantes Signal eines sterilen Neutrinos beobachtet, und die Mischungsamplituden zwischen den sterilen und aktiven Zuständen werden auf $|U_{\mu 4}|^2 < 0.0534$ und $|U_{\tau 4}|^2 < 0.0574$ bei 90\% C.L. begrenzt. Diese Grenzwerte sind um den Faktor zwei bis drei strenger als das vorherige DeepCore-Ergebnis, und die Einschränkung von $|U_{\tau 4}|^2$ ist die stärkste der Welt. / Neutrino oscillations are the only phenomenon beyond the Standard Model that has been confirmed experimentally to a very high statistical significance. This work presents a measurement of atmospheric neutrino oscillations using eight years of data taken by the IceCube DeepCore detector between 2011 and 2019. The event selection has been improved over that used in previous DeepCore measurements with a particular emphasis on its robustness with respect to systematic uncertainties in the detector properties. The oscillation parameters are estimated via a maximum likelihood fit to binned data in the observed energy and zenith angle, where the expectation is derived from weighted simulated events. This work discusses the simulation and data selection process, as well as the statistical methods employed to give an accurate expectation value under variable detector properties and other systematic uncertainties. The measurement is first performed first under the standard three-flavor oscillation model, where the atmospheric mass splitting and mixing angle are estimated to be $\Delta m^2_{32} = 2.42_{-0.75}^{+0.77} \times10^{-3}\;\mathrm{eV}^2$ and $\sin^2\theta_{23} = 0.507_{-0.053}^{+0.050}$, respectively. The three-flavor model is then extended by an additional mass eigenstate corresponding to a sterile neutrino with mass splitting $\Delta m^2_{41} = 1\;\mathrm{eV}^2$ that can mix with the active $\nu_\mu$ and $\nu_\tau$ flavor states. No significant signal of a sterile neutrino is observed and the mixing amplitudes between the sterile and active states are constrained to $|U_{\mu 4}|^2 < 0.0534$ and $|U_{\tau 4}|^2 < 0.0574$ at 90\% C.L. These limits are more stringent than the previous DeepCore result by a factor between two and three and the constraint on $|U_{\tau 4}|^2$ is the strongest in the world.

Das IceCube Neutrino Teleskop hat einen diffusen Fluss hochenergetischen astrophysikalischen Neutrinos entdeckten. Allerdings sind die Quellen die für die Mehrzahl der nachgewiesenen Neutrinos verantwortlich sind, noch unbekannt. Diese Arbeit untersucht die Möglichkeit, dass der beobachtete Neutrino-Fluss im Zentrum von aktiven galaktischen Kernen (AGN) erzeugt wird. Eine Stacking-Analyse wird durchgeführt, um die Korrelation zwischen verschiedenen Subpopulationen von AGN und hochenergetischen Neutrinos unter Verwendung von IceCube-Daten aus acht Jahren zu testen. AGN werden anhand ihrer Radioemission, Infrarot-Farbeigenschaften und ihres Röntgenflusses. Die Leuchtkraft der Akkretionsscheibe wird verwendet, um den Beitrag ausgewählter Galaxien zum Neutrinosignal zu gewichten. Die leuchtende AGN-Population trägt zu ~52% des von IceCube gemessenen diffusen Flusses bei 100 TeV mit einem Best-Fit-Spektralindex von 2 bei mit 2.83 sigma post-trial Signifikanz. Für die AGN-Probe mit geringer Leuchtkraft wird eine Signifikanz nach dem Versuch von nur 0.66 sigma gefunden, daher werden Obergrenzen festgelegt. Unter Annahme des Spektralindex für den astrophysikalischen Fluss von 2 und einer gleichverteilten gleiche Zusammensetzung Neutrinoflavour-Zusammensetzung auf der Erde, wird eine obere Flussgrenze berechnet, die den maximalen Beitrag der Kerne von AGN mit geringer Leuchtkraft zum diffusen TeV-PeV-Neutrino-Fluss auf ~51% bei 100 TeV beschränkt. Für diese Arbeit wurde auch eine neue Rekonstruktionsmethode entwickelt. In IceCube werden hochenergetische Myon-neutrinos durch die sekundären Myonen identifiziert, die durch Wechselwirkungen über geladene Ströme mit dem Eis erzeugt werden. In dem hier vorgestellten Rekonstruktionsschema wird die erwartete Ankunftszeitverteilung durch ein vorbestimmtes stochastisches Myon-Energieverlustprofil parametrisiert. Diese realistischere Parametrisierung führt zu einer Verbesserung der Myon-Winkelauflösung in IceCube um etwa 20%. / The IceCube neutrino telescope has measured a diffuse flux of high-energy astrophysical neutrinos. However, the sources responsible for the emission of the majority of the detected neutrinos are still unknown. The goal of this thesis is to explore the possibility that the neutrino flux observed by IceCube is produced in the cores of Active Galactic Nuclei (AGN). A stacking analysis is conducted to test for a correlation between various sub-populations of AGN and high-energy neutrinos using eight years of IceCube data. AGN are selected based on their radio emission, infrared color properties, and X-ray flux using the NVSS, AllWISE, ROSAT and XMMSL2 catalogs. The accretion disk luminosity estimated by the observed soft X-ray flux is used as a proxy for the contribution of selected galaxies to the neutrino signal. Two of the three AGN samples tested in this analysis show over-fluctuations, with the highest significance being of 2.83 sigma after trial correction. The luminous AGN population is found to contribute to ~52% of the diffuse flux measured by IceCube at 100 TeV with a best-fit spectral index of 2. For the low-luminosity AGN sample a post-trial significance of only 0.66 sigma is found, therefore upper limits are set. Assuming the spectral index for the astrophysical flux to be 2 and an equal composition of neutrino flavours arriving at Earth, an upper flux limit is calculated which constrains the maximal contribution of the cores of low-luminosity AGN to the diffuse TeV-PeV neutrino flux to be ~51% at 100 TeV. A new reconstruction method has also been developed for this thesis. In IceCube high-energy muon neutrinos are identified through the secondary muons produced via charge current interactions with the ice. In the reconstruction scheme presented in this thesis, the expected arrival time distribution is parameterized by a predetermined stochastic muon energy loss pattern, leading to an improvement of about 20% to the muon angular resolution of IceCube.

Die Entdeckung eines hochenergetischen Flusses astrophysikalischer Neutrinos stellt einen wesentlichen physikalischen Durchbruch der letzten Jahre dar. Trotz allem ist der Ursprung dieser Neutrinos immer noch unbekannt. Die Suche nach den Quellen der hochenergetischen kosmischen Strahlung ist direkt verbunden mit der Suche nach Neutrinos, da diese in den gleichen hadronischen Prozessen erzeugt werden und eine Neutrinoquelle deshalb einen direkten Hinweis auf eine Quelle der kosmischen Strahlung darstellen würde. Viele potentielle Quellen der Neutrinos werden diskutiert, darunter Kern-Kollaps Supernovae. In dieser Arbeit werden sieben Jahre Daten des IceCube Neutrinoteleskopes mit der Richtung mehreren Hundert Kernkollaps-Supernovae auf Korrelation getestet. Die Analyse gewinnt dabei durch die gute Richtungsrekonstruktion der 700000 Muonspurdaten und der großen Datenbank optische beobachteter Supernovae. Die Sensitivität der zeitabhängigen Likelihood-Analyse wird durch die Kombination mehrere Quellen in einer einzigen Analyse gesteigert. Es wurde kein statistisch signifikantes Cluster von Neutrinos an den Positionen der Supernovae gefunden. Daraus wurden obere Grenzen für verschiedene Modelle berechnet und der Beitrag von Kernkollaps-Supernovae zum diffusen Neutrinofluss eingeschränkt. Daraus können bestimmte Typen von Supernovae als dominate Quelle der diffusen hochenergetischen astrophysikalischen Neutrinos ausgeschlossen werden. / The recent discovery of a high energy flux of astrophysical neutrinos was one of the breakthroughs of the last years. However, the origin of these neutrinos remains still unknown. Also, the search for the sources of high-energy cosmic rays is closely connected to neutrinos since neutrinos are produced in hadronic interactions, and thus the detection of a neutrino source would be a \textit{smoking gun} signature for cosmic rays. Many potential neutrino source classes have been discussed, among these are core-collapse supernovae. In this thesis, seven years of data from the IceCube neutrino observatory are tested for correlation with the direction of hundreds of core-collapse supernovae. The analysis benefits from the good angular reconstruction of the order of one degree and below of the about 700000 muon track events and an extensive database of optical observations of supernovae. Using a time-dependent likelihood method, the sensitivity of the analysis is increased by stacking the sources in a combined analysis. No significant clustering of neutrino events around the position of core-collapse supernovae is found. Upper limits of different neutrino light curve models are computed, and the contribution of core-collapse supernovae to the measured diffuse high energetic neutrino background is constrained. These limits allow excluding certain types of core-collapse supernovae as the dominant source of the observed high energetic astrophysical neutrino flux.

Das Ziel dieser Dissertation ist die Suche nach dem astrophysikalischen Neutrinofluss in einem IceCube-Datensatz bestehend aus 335 Tagen. IceCube ist ein 1 km$^{3}$ gro{\ss}er Neutrinodetektor, welcher sich am S{\"u}dpol befindet und aus 86 in das Eis eingefrorenen Trossen besteht, von denen jede mit 60 Digitalen Optischen Photomultipliern (DOM) best{\"u}ckt ist. Der Detektor befand sich noch in der Konstruktionsphase, daher bestand er nur aus 59 Trossen (IC59), als die Daten f{\"u}r diese Analyse gewonnen wurden.\newline Die hier behandelte Analysemethode ist empfindlich f{\"u}r alle drei Neutrinoarten. Wenn Neutrinos mit den im Eis vorhandenen Atomkernen wechselwirken, werden geladene Teilchen erzeugt, welche Tscherenkow-Strahlung aussenden, die dann von den DOM registriert und zur Rekonstruktion der Neutrinowechselwirkung verwendet wird. Diese Neutrinoereignisse m{\"u}ssen aus einem gro{\ss}en Untergrund von atmosph{\"a}rischen Myonen, der $10^{8}$ mal mehr Myonen als Neutrinos auf Trigger-Level enth{\"a}lt, gefiltert werden. Atmosph{\"a}rische und astrophysikalische Neutrinos k{\"o}nnen nur auf statistischem Wege auf der Grundlage ihrer rekonstruierten Energien unterschieden werden.\newline Um eine verl{\"a}ssliche Vorhersage f{\"u}r atmosph{\"a}rische Myonen in der finalen Filterstufe zu erreichen, wurde eine gro{\ss}e Anzahl von Myonen simuliert. Die vorgestellte Analyse war die erste, welche eine livetime von {\"u}ber einem Jahr f{\"u}r die Simulation von atmosph{\"a}rischen Myonen erreicht hat (f{\"u}r $E \geq 10$ TeV).\newline Eine erste Analyse z{\"a}hlte die Ereignisse mit einer Energie von $E>38$ TeV und fand 8 Ereignisse mit Energien zwischen 39 TeV und 67 TeV bei einer Untergrunderwartung von $3.6\pm 0.3$ Ereignissen. Dieser {\"U}berschuss wurde mit Hilfe eines Likelihood-Fit mit einer Energieschwelle von 10 TeV genauer untersucht. Es war kein astrophysikalischer Neutrinofluss n{\"o}tig, um den {\"U}berschuss zu beschreiben. Stattdessen wurde der {\"U}berschuss von einer h{\"o}heren Normierung des atmosph{\"a}rischen Neutrinoflusses absorbiert. Wenn keine weiteren Einschr{\"a}nkungen von unabh{\"a}ngigen Messungen oder Modellen des atmosph{\"a}rischen Neutrinoflusses verwendet werden, kann eine 90\% obere Grenze f{\"u}r den astrophysikalischen Neutrinofluss aller Neutrinoarten von $E^{2}\Phi_{astro,\;ul}=1.7\cdot 10^{-8} {\rm GeV}{\rm s}^{-1}{\rm sr}^{-1}{\rm cm}^{-2}$ im Energiebereich von $20\;{\rm TeV} \leq E \leq 3.0\;{\rm PeV}$ berechnet werden. Diese obere Grenze auf den Neutrinofluss liegt deutlich unter denen vorheriger IceCube-Analysen und ist kleiner als der sp{\"a}ter entdeckte astrophysikalische Neutrinofluss. Der atmosph{\"a}rischen Neutrinofluss, der im gleichen Fit bestimmt wurde, liegt deutlich {\"u}ber Modellvorhersagen basierend auf vor kurzem gewonnenen Messdaten. Wenn der atmosph{\"a}rische Neutrinofluss auf das Intervall dieser Modellvorhersagen beschr{\"a}nkt wird, ergibt sich eine obere Grenze f{\"u}r den astrophysikalischen Neutrinofluss aller Neutrinoarten von $E^{2}\Phi_{astro,\;ul}=3.2\cdot 10^{-8} {\rm GeV}{\rm s}^{-1}{\rm sr}^{-1}{\rm cm}^{-2}$ im Energiebereich von $20\;{\rm TeV} \leq E \leq 3.0\;{\rm PeV}$, was vertr{\"a}glich mit dem mittlerweile von IceCube gemessenen Neutrinofluss ist, welcher mit einer Analyse mit zwei Jahre Messzeit des fertiggestellten Ice-Cube-Detektors bestimmt wurde. / This thesis presents a search for the diffuse astrophysical neutrino flux in 335 days of IceCube data. IceCube is a 1 km$^{3}$ neutrino detector located at the South Pole, consisting of 86 strings, each equipped with 60 Digital Optical Photomultipliers (DOMs), frozen in the ice. The detector was still in construction when the data used in this analysis was taken, therefore only 59 strings were available (IC59).\newline The analysis presented here is sensitive to all three neutrino flavors. Neutrinos interacting with nuclei in the ice produce charged particles which emit Cherenkov light. This light is recorded by the DOMs and used for the event reconstruction. These neutrino events must be extracted from the huge background of atmospheric muons, which is $10^{8}$ times more common than neutrino events at trigger level. Finally, atmospheric and astrophysical neutrinos need to be distinguished statistically, based on the reconstructed neutrino energies.\newline To obtain a robust prediction of atmospheric muon events at the final level of the event selection, a huge simulation sample of atmospheric muons has been produced. This analysis was the first to achieve a livetime of more than one year of simulated atmospheric muon events with $E \geq 10$ TeV.\newline A first analysis counting the number of events with an energy $E>38$ TeV found 8 events with energies between 39 TeV and 67 TeV for a background prediction of $3.6\pm 0.3$ events. This excess was further investigated with a maximum likelihood fit with an energy threshold of 10 TeV. No astrophysical neutrino flux was required to describe the excess in the data. Instead, it was absorbed by a higher normalization of the atmospheric neutrino flux. If no constraints from independent measurements or models of the atmospheric neutrino flux are applied, a 90\% upper limit on the all-flavor astrophysical neutrino flux of $E^{2}\Phi_{astro,\;ul}=1.7\cdot 10^{-8} {\rm GeV}{\rm s}^{-1}{\rm sr}^{-1}{\rm cm}^{-2}$ in the energy range of $20\;{\rm TeV} \leq E \leq 3.0\;{\rm PeV}$ can be derived. This upper limit is considerably lower than earlier IceCube limits, and lower than the astrophysical neutrino flux discovered later. However, the atmospheric flux that is obtained in the same fit is considerably higher than model predictions based on recent measurement. If the atmospheric flux is constrained to the range of these model predictions, the upper limit is $E^{2}\Phi_{astro,\;ul} = 3.2\cdot 10^{-8}\; {\rm GeV}{\rm s}^{-1}{\rm sr}^{-1}{\rm cm}^{-2}$, which is compatible with the astrophysical neutrino flux finally detected by IceCube using two years of data from the completed IceCube detector.