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.

Axionartige Teilchen sind pseudoscalare Teilchen welche in Theorien jenseits des Standardmodells vorhergesagt werden. Falls ein axionartiges Teilchen innerhalb eines kosmischen magnetischen Felds gebildet wird, wird dieses nicht durch das Hintergrundlicht absorbiert. Daher kann es kosmische Distanzen überbrücken bevor es wieder in ein Photon zurück oszilliert. Dieser Effekt erhöht die Reichweite der Gammastrahlung im Universum. Im Rahmen dieser Dissertation werden Daten des Fermi Large Area Telescopes, aufgenommen über eine Zeitraum von sechs Jahren, systematisch analysiert. Hierbei wird nach axionartigen Teilchen mit Hilfe von Transparenzeffekten des Universums gesucht. In diesem Zusammenhang werden verschiedene Modelle des extragalaktischen Hintergrundlichts mit und ohne Berücksichtigung axionartiger Teilchen verglichen. Hierfür werden Likelihood-Funktionen für das höchst energetische Photon verschiedener entfernter Quelle kombiniert. Diese sind aktive galaktische Kerne mit einer Rotverschiebung z ≥0.1 des Second Catalog of Hard Fermi-LAT Sources. Unter den Annahmen einer intergalaktischen magnetischen Feldstärke von B = 1 nG und einer Kohärenzlänge von s = 1 Mpc wurde keine Veränderungen der Transparenz durch axionähnliche Teilchen nachgewiesen. Für eine Masse eines axionartigen Teilchens mit m≅ 3.0 neV wird eine Photonen-Axion Kopplungskonstante über 10(^11) GeV(^−1) ausgeschlossen. / Axion-like particles, pseudo-scalar particles that arise in theories beyond the Standard Model, mix with photons in the presence of magnetic fields. If an axion-like particle is produced within a cosmic magnetic field, it evades extragalactic background light absorption and thus it can survive cosmological distances until oscillating back into a photon. This leads to an increased transparency of the Universe to gamma rays. In the scope of this thesis, we search for transparency effects compatible with the existence of axion-like particles with six years of data from the Fermi Large Area Telescope. We derive and combine the likelihoods of the highest-energy photon events from a sample of hard distant sources, in order to compare models that include axion-like particles and models with only extragalactic background light. The sources are active galactic nuclei from the Second Catalog of Hard Fermi sources at redshift z≥0.1. For values of the intergalactic magnetic field strength B = 1 nG and coherence length s = 1 Mpc, we find no evidence for a modified transparency induced by axion-like particles and therefore we set upper limits. We exclude photon-axion coupling constants above 10(^11) GeV(^−1) for axion masses m≅ 3.0 neV.

In der Astronomie zeigen viele Quellen ein veränderliches Verhalten, das in manchen Fällen sehr kurz sein und im Bereich von Sekunden bis Minuten liegen kann. Beispiele dafür sind Gammablitze (GB) und aktive Galaxienkerne (AGK). Um die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse besser zu verstehen, ist eine Messung der Photonenflussänderung notwendig. Allerdings kann die Entdeckung sehr kurzzeitiger Ausbrüche im sehr hochenergetischen Bereich des Spektrums, für welche Cherenkov Teleskope, wie VERITAS, zum Einsatz kommen, schwierig sein. Die Ursache dafür ist der hohe Untergrund und die relativ niedrige Signalrate. Diese Arbeit behandelt die Implementierung fortschrittlicher und für die Entdeckung signifikanter Ratenänderung optimierter, statistischer Methoden (exp-test and Bayesian-Blocks) innerhalb der VERITAS-Analyse. Das Verhalten dieser Methoden wird anhand von Daten minutenlanger Ausbrüche, die mittels Monte-Carlo-Technik für zwei unterschiedliche VERITAS Stadien simuliert wurden (vor und nach der Hardware-Aufrüstung), bewertet und miteinander verglichen. Die fortschrittlichen Methoden verbessern die Empfindlichkeit bei der Entdeckung von kurzzeitigen Ausbrüchen, wenn deren Fluss den des Krebsnebels übersteigt (Krebsnebel-Einheit = K.E.). Es sind nun Ausbrüche von 2 K.E. selbst dann nachweisbar, wenn deren Dauer nur 100 Sek. beträgt. Dies ist mit der Standardmethode nicht möglich. Im darauffolgenden Schritt dieser Arbeit werden das Nachglühen von 6 GB sowie die 450, ebenfalls mit VERITAS erzeugten, Aufnahmen von AGK-Quellen mittels der fortschrittlichen Methoden analysiert. In keiner der AGK-Aufnahmen wird eine signifikante Entdeckung kurzzeitiger Variabilität gemacht, was mit den anerkannten AGK-Modellen übereinstimmt. Auch die Untersuchung des Nachglühens der 6 GB offenbart keine kurzen Ausbrüche im GeV-TeV Bereich. Jedoch ist es für 2 von ihnen möglich, ein oberes Flusslimit von 1.25 K.E. (3,7 · 10^(−10) erg/(cm^2*s) [0,1;10 TeV]) abzuschätzen. / In astronomy, many of the observed sources show a transient behavior. Examples are gamma-ray bursts (GRBs) and active galactic nuclei (AGN). For those source types the variability can be very short, in the order of seconds to minutes. Measuring the flux variations is necessary to understand the underlying physical processes responsible for the emission. However, the detection of very short flares can be difficult in the very high-energy range, in which imaging atmospheric Cherenkov telescopes like VERITAS are operating. This is due to the large background and the comparable low signal rates. This thesis discusses the implementation of advanced statistical methods (exp-test and Bayesian-Blocks) into the VERITAS analysis framework, that are optimized for the detection of significant variations in the event rate. The performance of these methods is evaluated and compared by using Monte Carlo simulations of minute scale flares for two different VERITAS states, pre- and post-hardware-upgrade. It is shown that the advanced methods can improve the detection sensitivity for short flares with high fluxes of more than the Crab flux (Crab unit = C.U.). For example, flares at 2 C.U. with short durations down to 100 sec are now detectable, which is not possible with the standard method. In the next step of this thesis, 6 GRB afterglows and 450 runs of AGN data, observed by VERITAS, are analyzed with the advanced methods. In none of the AGN runs a significant detection of short time variability is made, which is in consistence with the canonical AGN models. The investigation of the 6 GRB afterglows also did not reveal any short flares in the GeV-TeV range. However, for two of them it was possible to estimate an upper flux limit of 1.25 C.U. (3,7 * 10^(−10) erg/(s*cm^2) [0,1;10 TeV]).

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