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Der Ursprung ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung (UHECRs) ist immer noch unbekannt. Neutrinoteleskope wie IceCube messen einen Fluss hochenergetischer astrophysikalischer Neutrinos, dessen erwarteter Ursprung Wechselwirkungen kosmischer Strahlung (CR) ist. Jedoch scheinen die Ankunftsrichtungen der beobachteten Neutrinos nicht signifikant mit den Koordinaten bekannter, hochenergetischer astrophysikalischer Quellen zu korrelieren. Wir tragen zum Verständnis dieses Problems durch die Untersuchung von Blazaren, eine Klasse aktiver Galaxienkerne, bei. Motiviert durch Hinweise, dass ein Teil der UHECRs schwerer als Protonen ist, modellieren wir die Wechselwirkungen einer Population beschleunigter Kerne mit den umgebenden Photonfelder in Blazaren. Wir folgern, dass in Blazaren niedriger Luminosität beschleunigte CRs nicht effizient wechselwirken. In hellen Blazaren sind photo-hadronische Wechselwirkungen effizient, was zu starker Neutrinoproduktion und zur Entwicklung einer nuklearen Kaskade führt. Wir berechnen die Neutrinoemission der gesamten Verteilung von Blazaren, und folgern, dass eine Population niedriger Luminosität, die derzeit nicht beobachtet, aber theoretisch erwartet wird, den gesamten IceCube-Fluss bei den höchsten Energien erklären kann. Weiterhin modellieren wir den Blazar TXS 0506+056, aus dessen Richtung ein Neutrino während einer Phase erhöhter elektromagnetischer Aktivität detektiert wurde. Wir testen die Hypothese, dass ein Signal von 13+/-5 Neutrinos, die in IceCube aus der selben Richtung im Jahr 2014-15 gemessen wurden, von der selben Quelle stammt. Unser Modell kann höchstens 5 Ereignisse erklären. Schließlich untersuchen wir das erste beobachte Ereignis verschmelzender Neutronensterne, GW170817, als CR-Beschleuniger. Wir modellieren die Quelle und zeigen, dass Radio- und Röntgenmessungen strikte Beschränkungen der magnetischen Feldstärke nach sich ziehen. Wir zeigen, dass diese Quelle in der Lage ist, CRs zu emittieren. / The origin of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) is still unclear. Neutrino telescopes like IceCube have observed a flux of high-energy cosmic neutrinos, expected to originate in cosmic ray (CR) interactions. However, their arrival directions do not statistically correlate with the positions of known high-energy astrophysical sources. In this thesis we explore blazars, a class of active galaxies, as potential UHECR accelerators. Motivated by evidence that a fraction of the UHECRs are heavier than protons, we model the interactions of CR nuclei with the photon fields present in blazars, in order to estimate the emitted neutrino and UHECR spectrum. We conclude that in dim blazars, accelerated CRs do not interact efficiently due to the low photon density, but instead escape the source unscathed. In bright blazars, photo-hadronic interactions are more efficient, leading to abundant production of neutrinos and lighter nuclei. We use this model to quantify the neutrino emission from the entire cosmological blazar population. We conclude that low-luminosity blazars currently unobserved but expected theoretically, can explain the entire IceCube flux at the highest energies. We then focus on blazar TXS 0506+056, from whose direction a neutrino was recently detected during an electromagnetic flaring state. We test the hypothesis that a signal of 13+/-5 neutrinos observed by IceCube from the same direction in 2014-15 may have originated in the same source. Given the constraints from multi-wavelength observations, this model can explain at most 5 neutrino events. Finally, we study the remnant of the first neutron star merger ever observed, object GW170817. We model the particle interactions in the source and show that multi-wavelength observations can provide a constraint on the magnetic field strength. We estimate that this source may be an efficient CR emitter, which shows the importance of future multi-messenger observations to better constrain this source type.

Der TAIGA Detektor (“Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy”) testet eine neue Nachweismethode der erdgebundenen Cherenkov Gamma Astronomie fuer 10TeV bis einige PeV, und fuer kosmische Strahlung oberhalb 100TeV: die Kombination abbildender und nicht-abbildender Cherenkov Detektoren in einem hybriden System. Im Fokus der Arbeit steht TAIGA-HiSCORE - ein Cherenkov Detektorfeld mit grosser Apertur zur Messung der Zeitstruktur der Cherenkovlichtfront in atmosphaerischen Luftschauern (EAS). Die Praezisonsvermessung der Schauerrichtung basiert auf (1) sub-nsec Zeitsynchronisation aller Detektoren, und (2) einer neuentwickelten Zeitkalibrationsmethode. Die Genauigkeit wird bestimmt mit experimentellen und simulierten EAS-Daten, spezieller LED-Kalibration und dem LIDAR Laserstrahl aus der International Space Station (ISS). Mit den HiSCORE9 Daten (2013-2014) wird die sub-nsec Zeitsynchronisation durch das White Rabbit Zeitsystem unter realen Bedingungen nachgewiesen. Eine neue, auch fuer grosse Cherenkov-Detektorfelder praktikable Zeitoffset-Kalibration aller Detektoren wurde entwickelt, und fuer HiSCORE28 (2015-2018) angewandt. Diese hybride Kalibration basiert auf EAS-Ereignissen und direkter LED-Kalibration fuer lediglich eine begrenzte Zahl von Detektoren. Die Genauigkeit der Luftschauer-Richtungsrekonstruktion wird ueber die “Schachbrett-Methode” MC-unabhaengig bestimmt zu 0.4° an der Energieschwelle (50TeV) und <= 0.2° fuer > 100TeV. Eine wichtige Zufallsentdeckung war mit HiSCORE28 moeglich: der Laser des ISS-CATS-Lidars wurde in richtungsrekonstruierten Daten von HiSCORE28 nachgewiesen. Mit den “ISS Ereignissen” gelang es, sowohl die Rekonstruktionsgenauigkeit von HiSCORE, als auch das “absolute pointing” zu messen (<=0.1°) - besonders wichtig, da eine starke Gamma-Quelle im Datensatz bisher nicht nachgewiesen wurde. Im Schlussteil der Arbeit wird ein Methode zur Punktquellensuche im gesamten Gesichtsfeld von TAIGA-HiSCORE vorgestellt. / The TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy) detector is a new ground-based Cherenkov detection technology for gamma-astronomy from 10TeV up to several PeV, and cosmic rays (CR) above 100TeV. The main topic of this work is TAIGA-HiSCORE, the wide-aperture air Cherenkov timing array. The focus is on precision extensive air shower (EAS) arrival direction reconstruction, achieved by (1) sub-nsec time-synchronization between the array stations, and (2) a newly developed array time calibration procedure. The performance is verified using simulated and experimental data from EAS, dedicated LED calibration, and a LIDAR laser beam from the International Space Station (ISS). The analysis of the HiSCORE 9 data (2013-14), collected with a data acquisition system (DAQ) based on the White Rabbit (WR) timing system, allows to verify the sub-nsec time synchronization between the array stations. The analysis of HiSCORE 28 data (2015-2018) addresses the problem of achieving an easy-to-perform time calibration for large area ground-based Cherenkov array. A new "hybrid" calibration method is developed, which makes use of EAS data, and requires direct LED calibration of only a few array stations. The "chessboard" method is applied on the reconstructed data to obtain a MC-independent estimation of the detector angular resolution, found to be 0.4° at threshold (~50TeV) and <= 0.2° above 100TeV. A serendipitous discovery was made in this work: a signal from the CATS-LIDAR on-board the ISS was found in the HiSCORE 28 data. These "ISS-events" are used to verify the detector performance, in particular the absolute angular pointing (<= 0.1°), particularly important since a strong gamma point source has not yet been detected by the TAIGA-HiSCORE. The final part of the work presents a first preliminary approach to a wide aperture point source analysis, developed for the TAIGA-HiSCORE in stand-alone operation.

Das IceCube Neutrinoteleskop hat im Jahr 2013 erstmals einen isotropen, quasi-diffusen astrophysikalischen Neutrinoflusses detektiert. Dieser Fluss kann jedoch bisher keiner astrophysikalischen Quellklasse zugeordnet werden. Um nach kurzlebigen Neutrinoquellen zu suchen, wurde 2008 das optische und Röntgen-Nachfolgebeobachtungsprogramm des IceCube Detektors eingerichtet. Es sucht nach zwei oder mehr Neutrinoereignissen, die von einer Punkquelle stammen könnten und innerhalb von 100s detektiert werden. Ein solches Signal wird unter anderem von langen oder kurzen Gammastrahlungsblitzen (GRBs) erwartet oder von verwandten Objekten wie leuchtschwachen GRBs oder Supernovae mit relativistischen Jets. Die Alarmraten des Nachfolgebeobachtungsprogramms sind jedoch niedrig und bieten bisher keine Hinweise für die Existenz von kurzlebigen Neutrinoquellen. Das Nachfolgebeobachungsprogramm hat bisher nur ein einziges Neutrinotriplet detektiert, das der Auslöser für eine umfassende Beobachtungskampagne war. In den optischen, Röntgen- und Gammastrahlungsbeobachtungen wurde keine wahrscheinliche Neutrinoquelle identifiziert und eine Supernova oder ein heller GRB können ausgeschlossen werden. Das Neutrinotriplet kann entweder eine zufällige Koinzidenz von Untergrundereignissen sein (alle 13.7 Jahre erwartet) oder es kann von einer leuchtschwachen oder besonders schnell verblassenden Quelle stammen. Die niedrige Rate von Neutrinomultipletts stellt außerdem eine obere Schranke auf die Helligkeit von kurzlebigen Neutrinoquellen dar. Seltene Quellen mit lokalen Raten von < 3e-8 – 10e-5 Mpc^-3 Jahr^-1 können nicht den gesammten Fluss erzeugen, ohne die detektierte Anzahl Multipletts zu überschreiten. Der Fluss von GRBs ist dadurch auf 5-30% des astrophysikalischen Flusses beschränkt. Falls 1% aller Kernkollaps-Supernovae einen Jet besitzen, der auf die Erde zeigt, so können sie 40-100% des Flusses erzeugen und ihre durchschnittliche Neutrinohelligkeit ist <3e51erg. / The IceCube neutrino observatory first detected and isotropic, quasi-diffuse astrophysical neutrino flux in 2013. However, this flux can so far not be associated with an astrophysical source class. To search for short-lived neutrino sources, the optical and X-ray follow-up program was established in 2008. It searches for two or more neutrino events that might origin from a point source and are detected within 100s. Such a signal is expected from long or short gamma-ray bursts (GRBs) or from related objects like low-luminosity GRBs or supernovae with choked jets. The alert rates of the follow-up program are however low, such that they do not provide evidence for the existence of short-lived neutrino sources. So far the follow-up program has only detected a one neutrino triplet, which triggered an extensive follow-up campaign. No likely neutrino source was detected in the collected optical, X-ray and gamma-ray observations and the presence of a supernova or a bright GRB can be excluded. The neutrino triplet can either be a chance coincidence of background events (expected every 13.7 years) or is can originate from a faint or quickly fading astrophysical source. The low rate of neutrino multiplets moreover provides an upper limit on the luminosity of short-lived neutrino sources. Rare sources with local rates of < 3e-8 – 10e-5 Mpc^-3 yr^-1 cannot produce the complete fluc without producing too many neutrino multiplets. This limits the contribution of GRBs to 5-30% of the astrophysical flux. If 1% of all core-collapse supernovae have a jet that is pointed at Earth, they can emit up to 40-100% of the flux and their average neutrino luminosity is <3e51erg.