Das Fermi Large Area Telescope (LAT) ist ein satellitengestütztes Gammastrahlungs-Teleskop zur Messung von Gammastrahlung im Energiebereich zwischen ∼ 30 MeV und mehreren hundert GeV. Der Nachweis extraterrestrischer Gammastrahlung in diesem Energiebereich erlaubt Rückschlüsse auf die astrophysikalischen Quellen der Gammastrahlung und Beschleunigungsmechanismen kosmischer Strahlung mit Energien zwischen 1 GeV und ∼ 10 TeV. Die Beobachtung von Quellen während Phasen vorübergehend erhöhter Gammastrahlungslüsse (‘Flares’) ermöglicht dabei eine besonders empfindliche Untersuchung der Produktionsmechanismen kosmischer Strahlung in den Quellen, da die Eigenschaften kürzlich beschleunigter Teilchen unmittelbar studiert werden können. Der Hauptteil dieser Dissertation stellt das neueste Verzeichnis zeitlich variabler Gammastrahlungsquellen über 100 MeV vor, den zweiten ‘Fermi All-sky Variability Analysis’ Katalog (2FAV). Der 2FAV Katalog enthält über 4500 Flares, welche in den ersten 7.4 Jahren der LAT Datennahme auf einem hohen Vertrauensniveau gemessen und an 518 verschiedenen Himmelspositionen beobachtet wurden. 441 dieser Quellpositionen im 2FAV können Aktiven Galaktischen Kernen (AGN) zugeordnet werden. Die verbleibenden 77 Quellpositionen besitzen keine sichere Entsprechung in anderen Verzeichnissen von Gammastrahlungs- oder Blazarquellen und stellen möglicherweise neue Gammastrahlungsquellen dar. Bei der Untersuchung der Spektren der 2FAV Flares, welche sogenannten ‘Flat-Spectrum’ Radioquasaren (FSRQ) - eine Unterklasse der AGN - zugeordnet werden können, wurde durchweg ein härteres Gammastrahlungsspektrum während Phasen erhöhter Gammastrahlungsemission beobachtet. Zudem wurde eine Untergrenze in der Verteilung der spektralen Exponenten, Γ ≳ 1.5, in der Stichprobe der untersuchten Flares festgestellt. Unter der Annahme eines einfachen leptonischen Modells und dass die Verteilung beschleunigter Teilchen im Inertialsystem der Quelle isotrop ist, folgt daraus, dass die Energiespektren der kosmischen Strahlung, welche die Gammastrahlungs-Flares verursachen, mit dN/dE ∝ E −2 oder stärker abfallen. Eine andere Möglichkeit, die Beschleunigungsmechanismen kosmischer Strahlung zu untersuchen, ist die Messung der Polarisation der begleitenden Gammastrahlung. Der letzte Teil dieser Dissertation enthält eine vorläufige Studie zur Messbarkeit linearer Polarisation astrophysikalischer Gammastrahlung mit dem LAT-Instrument. Bei Konversion hochenergetischer Photonen in Elektron-Positron-Paare verursacht eine lineare Polarisation der Gammastrahlung eine Modulation des Azimutwinkels der Ebenen, in denen die Elektron-Positron-Paare erzeugt wurden. Obwohl der LAT ursprünglich nicht als Polarimeter konzipiert wurde, ermöglicht das Instrument eine Messung dieser Modulation für niederenergetische Primärteilchen (≲ 200 MeV), welche in den Silikonschichten des Detektors konvertieren. Eine Auswahl solcher Ereignisse, selektiert durch Algorithmen überwachten maschinelles Lernens (‘supervised machine learning’), wird verwendet um die statistischen und systematischen Messunsicherheiten abzuschätzen, denen eine Messung unterworfen ist. Werden allein statistische Unsicherheiten berücksichtigt, ist der LAT in der Lage, einen Polarisationsgrad von 30−50% der Gammastrahlungsflüsse vom Vela-Pulsar und vom Krebs-Pulsarwindnebels nach einer Beobachtungszeit von zehn Jahren auf einem Vertrauensniveau von 5σ nachzuweisen. Werden zusätzlich systematische Unsicherheiten berücksichtigt, wird abgeschätzt, dass ein Polarisationsgrad von ∼ 46% auf einem Vertrauensniveau von 5σ nachweisbar ist, indem eine Auswahl von AGN als unpolarisierte Testprobe verwendet und mit umfangreichen Monte-Carlo Simulationen verglichen wird. Die Analyse in dieser Dissertation berücksichtigt zum ersten Mal sämtliche Aspekte einer polarization-sensitiven Ereignissrekonstruktion und dienst damit als Grundlage für zukünftige Nachweisversuche der Polarisation astrophysikalischer Gammastrahlung mit dem LAT. / The Fermi Large Area Telescope (LAT) is a space-based pair-conversion telescope sensitive to gamma rays with energies from ∼ 30 MeV to several hundreds of GeV. Observing gamma rays in this energy range, we gain information on the sources and acceleration mechanisms of cosmic rays (CRs) of energies from ∼ 1 GeV to ∼ 10 TeV. Studying the emission of gamma-ray sources during periods of enhanced activity (flares) provides a sensitive probe of the production mechanisms of CRs, as it makes it possible to investigate the distributions of the freshly-accelerated particles. The main part of this work presents the latest catalog of variable gamma-ray sources above 100 MeV, the second Fermi All-sky Variability Analysis catalog (2FAV). The 2FAV catalog contains more than 4500 flares detected at high significance in the first 7.4 years of LAT observations and the 518 sources from which these flares originate. Probable counterparts, mostly active galactic nuclei (AGN), have been found for 441 sources in the 2FAV. The remaining 77 sources have no reliable counterparts in other gamma-ray or blazar catalogs; they are potentially new gamma-ray sources. Studying the spectra of the 2FAV flares, we observe a harder-when-brighter behavior for the entire sample of flares associated with lat spectrum radio quasars, a class of AGN. We also observe a minimum value in the distribution of the photon index Γ of the flares, corresponding to Γ ≳ 1.5. In a simple leptonic scenario, assuming that the distribution of accelerated particles is isotropic in the source reference frame, this limit on the spectral hardness implies that the spectra of the accelerated particles responsible for the lare is never harder than dN/dE ∝ E −2. Another way to probe the environments where CRs are accelerated is by measuring the polarization of the gamma rays. A preliminary study of the LAT sensitivity to linear polarization of astrophysical gamma-rays is presented in the last part of this thesis. In the pair-production regime, linear polarization of the gamma-rays induces a modulation in the azimuthal angle of the planes where the electron-positron pairs are produced. Although not designed as a polarimeter, the LAT has the potential to measure this modulation using low energy (≲ 200 MeV) events converting in the silicon detector layers of its tracker. A selection of these events using supervised machine learning algorithms is presented and used as a basis to estimate the statistical and systematic uncertainties afecting the measurement. Considering only statistical uncertainties, a degree of polarization of ∼ 30−50% could be detected at the 5σ confidence level for the Vela pulsar and the Crab pulsar-wind nebula after 10 years of observation. By including systematic uncertainties, a 5σ sensitivity limit corresponding to a polarization degree of ∼ 46% is estimated, using a stack of AGN as an unpolarized test source and comparing the data with detailed Monte Carlo simulations. This analysis addresses for the first time all the steps of a real measurement and can therefore provide the basis for future measurements of gamma-ray polarization with the LAT.

This work presents the measurement of the deuterium flux, and the deuterium-to-hydrogen flux ratio from 0.6 to 10 GeV/n, using data collected between May 2011 and May 2015 by the Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02), a cosmic ray detector operating aboard the International Space Station (ISS) since May 2011. The isotope separation is performed by combining the measurements performed by the AMS-02 sub-detectors. In particular, the mass measurement is carried out by taking advantage of the precise momentum measurement provided by the silicon tracker and by the velocity measurement provided by the Cherenkov detector. The event counting method is performed using reference spectra of simulated signal and background events, where the agreement between data and Monte Carlo has been carefully checked and eventual differences have been mitigate by means of corrections based on the comparison between the resolution of the velocity and momentum as obtained from data and simulated vents. Production mechanisms, acceleration and propagation of cosmic rays are not completely clear, therefore precise measurements of the flux and composition of these particles may help to understand these phenomena. In the conventional model, supernova remnants are the sources of cosmic rays in the GeV to TeV energy range. The so called primaries, such as 1H, 4He, e- and C are believed to be produced and accelerated at the sources, while secondaries, such as e+, 2H, 3He and B originate from the collisions of primary cosmic rays with the interstellar medium. Hence, secondaries carry information about the propagation of cosmic rays in the galaxy, and, the measurement of their flux is used to constrain the parameters of cosmic ray propagation models; in particular, studying secondary-to-primary ratios is useful as it factors out the unknown source spectrum of the progenitor. One of such commonly studied ratios is the B/C ratio, but other ratios, such as 2H/1H and 3He/4He, can be used to probe a different A/Z regime and test the universality of the propagation mechanisms. / Este trabalho apresenta a medida do fluxo de deutério e da razão deutério sobre hidrogênio nos raios cósmicos, de 0.6 até 10 GeV/n, utilizando dados coletados entre maio de 2011 e maio de 2015 pelo Espectrômetro Magnético Alfa (AMS-02), um detecto de raios cósmicos instalado na Estação Espacial Internacional desde maio de 2011. A separação dos isótopos é feita através da combinação de medidas feitas pelos subdetectores do AMS-02. Em particular, a medida da massa é feita utilizando as medidas do momento fornecidas pelo tracker de silício e a velocidade medida pelo detector Cherenkov. A contagem de eventos é feita através da utilização de espectros de referência obtidos a partir de simulações de eventos de sinal e fundo, os quais foram utilizados para checar a concordância entre dados e simulações de Monte Carlo, corrigindo eventuais diferenças através de correções baseadas em comparações das resoluções de velocidade e momento obtidas nos dados e em simulações. Mecanismos de produção, aceleração e propagação dos raios cósmicos partículas não são completamente claros, portanto medidas precisas dos fluxos e composição dessas partículas podem auxiliar na compreensão desses fenômenos. Remanescentes de supernovas são as fontes de raios cósmicos com energias entre GeV e TeV. Acredita-se que os chamados raios cósmicos primários, tais como 1H, 4He, e- e C são produzidos e acelerados nas fontes, enquanto os secundários, tais como e+, 2H, 3He e B, têm origem na colisão dos raios cósmicos primários com o meio interestelar. Portanto, os secundários carregam informação sobre a propagação dos raios cósmicos na galáxia, sendo as medidas dos seus fluxos utilizada para restringir os parâmetros de modelos de propagação de raios cósmicos; em particular, estudar a razão entre secundários e primários é útil pois remove o desconhecido espectro da fonte da espécie progenitora. Uma das razões comumente utilizadas é B/C, mas outras, tais como 2H/1H e 3He/4He podem ser utilizadas para estudar outro regime de A/Z e testar a universalidade dos mecanismos de propagação.

Das Energiespektrum der kosmischen Strahlung bietet wichtige Hinweise auf ihren Ursprung und ihre Ausbreitung. Verschiedene Messtechniken müssen kombiniert werden, um den ganzen Energiebereich abdecken zu können: Direkte Messungen mit Teilchendetektoren bei niedrigen Energien sowie indirekte Messungen von Luftschauern bei hohen Energien. Dazu kommt die Messung von Photonen, hauptsächlich im GeV- und TeV-Bereich, die bei der Wechselwirkung von kosmischer Strahlung mit Materie oder elektromagnetischen Feldern entstehen. Im Folgenden werde ich zwei Studien dazu vorstellen, die beide auf Daten des abbildenden Tscherenkow-Teleskopes VERITAS beruhen. Erstens stelle ich eine Messung das Energiespektrums von Eisenkernen in der kosmischen Strahlung vor. Für die Bestimmung der Energie und Ankunftsrichtung der Primärteilchen benutze ich eine neuartige Template-Likelihood-Methode, die hier erstmals auf Eisenschauer angewendet wird. Zur Identifizierung der Eisenschauer benutze ich unter anderem das sogenannte direkte Tscherenkow-Licht, welches von geladenen Teilchen vor der ersten Wechselwirkung ausgestrahlt wird. Dazu kommt eine multivariate Klassifizierungsmethode, um den Verbleibenden Untergrund zu charakterisieren. Das so gemessene Energiespektrum von Eisen wird im Bereich von 20 TeV bis 500 TeV gut durch ein Potenzgesetz beschrieben. Zweitens beschreibe ich eine Suche nach Gammastrahlung oberhalb von 100 GeV von den drei Galaxien Arp 220, IRAS 17208-0014 und IC 342. Diese drei Galaxien haben hohe Sternentstehungsraten und daher viele Supernova-Überreste, welche kosmische Strahlung erzeugen. Diese wechselwirkt erwartungshalber mit den dichten Staubwolken in den Sternentstehungsgebieten und erzeugt Gammastrahlung. VERITAS konnte keine solche Gammastrahlung messen. Die daraus abgeleitete Höchstgrenze für die Luminosität schränkt theoretische Modelle der Erzeugung und Propagation von kosmischer Strahlung in der Galaxie Arp 220 ein. / The energy spectrum of cosmic rays can provide important clues as to their origin and propagation. Different experimental techniques have to be combined to cover the full energy range: Direct detection experiments at lower energies and indirect detection via air showers at higher energies. In addition to detecting cosmic rays at Earth, we can also study them via the electromagnetic radiation, in particular gamma rays, that they emit in interactions with gas, dust, and electromagnetic fields near the acceleration regions or in interstellar space. In the following I will present two studies, both using data taken by the imaging air Cherenkov telescope (IACT) VERITAS. First, I present a measurement of the cosmic ray iron energy spectrum. I use a novel template likelihood method to reconstruct the primary energy and arrival direction, which is for the first time adapted for the use with iron-induced showers. I further use the presence of direct Cherenkov light emitted by charged primary particles before the first interaction to identify iron-induced showers, and a multi-variate classifier to measure the remaining background contribution. The energy spectrum of iron nuclei is well described by a power law in the energy range of 20 to 500 TeV. Second, I present a search for gamma-ray emission above 100 GeV from the three star-forming galaxies Arp 220, IRAS 17208-0014, and IC342. Galaxies with high star formation rates contain many young and middle-aged supernova remnants, which accelerate cosmic rays. These cosmic rays are expected to interact with the dense interstellar medium in the star-forming regions to emit gamma-ray photons up to very high energies. No gamma-ray emission is detected from the studied objects and the resulting limits begin to constrain theoretical models of the cosmic ray acceleration and propagation in Arp 220.

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.

Despite striking evidence for the existence of dark matter from astrophysical observations, dark matter has still escaped any direct or indirect detection until today. Therefore a proof for its existence and the revelation of its nature belongs to one of the most intriguing challenges of nowadays cosmology and particle physics. The present work tries to investigate the nature of dark matter through indirect signatures from dark matter annihilation into electron-positron pairs in two different ways, pressure from dark matter annihilation and multi-messenger constraints on the dark matter annihilation cross-section. We focus on dark matter annihilation into electron-positron pairs and adopt a model-independent approach, where all the electrons and positrons are injected with the same initial energy E_0 ~ m_dm*c^2. The propagation of these particles is determined by solving the diffusion-loss equation, considering inverse Compton scattering, synchrotron radiation, Coulomb collisions, bremsstrahlung, and ionization. The first part of this work, focusing on pressure from dark matter annihilation, demonstrates that dark matter annihilation into electron-positron pairs may affect the observed rotation curve by a significant amount. The injection rate of this calculation is constrained by INTEGRAL, Fermi, and H.E.S.S. data. The pressure of the relativistic electron-positron gas is computed from the energy spectrum predicted by the diffusion-loss equation. For values of the gas density and magnetic field that are representative of the Milky Way, it is estimated that the pressure gradients are strong enough to balance gravity in the central parts if E_0 < 1 GeV. The exact value depends somewhat on the astrophysical parameters, and it changes dramatically with the slope of the dark matter density profile. For very steep slopes, as those expected from adiabatic contraction, the rotation curves of spiral galaxies would be affected on kiloparsec scales for most values of E_0. By comparing the predicted rotation curves with observations of dwarf and low surface brightness galaxies, we show that the pressure from dark matter annihilation may improve the agreement between theory and observations in some cases, but it also imposes severe constraints on the model parameters (most notably, the inner slope of the halo density profile, as well as the mass and the annihilation cross-section of dark matter particles into electron-positron pairs). In the second part, upper limits on the dark matter annihilation cross-section into electron-positron pairs are obtained by combining observed data at different wavelengths (from Haslam, WMAP, and Fermi all-sky intensity maps) with recent measurements of the electron and positron spectra in the solar neighbourhood by PAMELA, Fermi, and H.E.S.S.. We consider synchrotron emission in the radio and microwave bands, as well as inverse Compton scattering and final-state radiation at gamma-ray energies. For most values of the model parameters, the tightest constraints are imposed by the local positron spectrum and synchrotron emission from the central regions of the Galaxy. According to our results, the annihilation cross-section should not be higher than the canonical value for a thermal relic if the mass of the dark matter candidate is smaller than a few GeV. In addition, we also derive a stringent upper limit on the inner logarithmic slope α of the density profile of the Milky Way dark matter halo (α < 1 if m_dm < 5 GeV, α < 1.3 if m_dm < 100 GeV and α < 1.5 if m_dm < 2 TeV) assuming a dark matter annihilation cross-section into electron-positron pairs (σv) = 3*10^−26 cm^3 s^−1, as predicted for thermal relics from the big bang. / Trotz vieler Hinweise auf die Existenz von dunkler Materie durch astrophysikalische Beobachtungen hat sich die dunkle Materie bis heute einem direkten oder indirekten Nachweis entzogen. Daher gehrt der Nachweis ihrer Existenz und die Enthüllung ihrer Natur zu einem der faszinierensten Herausforderungen der heutigen Kosmologie und Teilchenphysik. Diese Arbeit versucht die Natur von dunkler Materie durch indirekte Signaturen von der Paarzerstrahlung dunkler Materie in Elektron-Positronpaare auf zwei verschiedene Weisen zu untersuchen, nämlich anhand des Drucks durch die Paarzerstrahlung dunkler Materie und durch Grenzen des Wirkungsquerschnitts für die Paarzerstrahlung dunkler Materie aus verschiedenen Beobachtungsbereichen. Wir konzentrieren uns dabei auf die Zerstrahlung dunkler Materie in Elektron-Positron-Paare und betrachten einen modellunabhängigen Fall, bei dem alle Elektronen und Positronen mit der gleichen Anfangsenergie E_0 ~ m_dm*c^2 injiziert werden. Die Fortbewegung dieser Teilchen wird dabei bestimmt durch die Lösung der Diffusions-Verlust-Gleichung unter Berücksichtigung von inverser Compton-Streuung, Synchrotronstrahlung, Coulomb-Streuung, Bremsstrahlung und Ionisation. Der erste Teil dieser Arbeit zeigt, dass die Zerstrahlung dunkler Materie in Elektron-Positron-Paare die gemessene Rotationskurve signifikant beeinflussen kann. Die Produktionsrate ist dabei durch Daten von INTEGRAL, Fermi und H.E.S.S. begrenzt. Der Druck des relativistischen Elektron-Positron Gases wird aus dem Energiespektrum errechnet, welches durch die Diffusions-Verlust-Gleichung bestimmt ist. Für Werte der Gasdichte und des magnetischen Feldes, welche für unsere Galaxie repräsentativ sind, lässt sich abschätzen, dass für E_0 < 1 GeV die Druckgradienten stark genug sind, um Gravitationskräfte auszugleichen. Die genauen Werte hängen von den verwendeten astrophysikalischen Parametern ab, und sie ändern sich stark mit dem Anstieg des dunklen Materie-Profils. Für sehr große Anstiege, wie sie für adiabatische Kontraktion erwartet werden, werden die Rotationskurven von Spiralgalaxien auf Skalen von einegen Kiloparsek für die meisten Werte von E_0 beeinflusst. Durch Vergleich der erwarteten Rotationskurven mit Beobachtungen von Zwerggalaxien und Galaxien geringer Oberflächentemperatur zeigen wir, dass der Druck von Zerstrahlung dunkler Materie die Übereinstimmung von Theorie und Beobachtung in einigen Fällen verbessern kann. Aber daraus resultieren auch starke Grenzen für die Modellparameter - vor allem für den inneren Anstieg des Halo-Dichteprofils, sowie die Masse und den Wirkungsquerschnitt der dunklen Materie-Teilchen. Im zweiten Teil werden obere Grenzen für die Wirkungsquerschnitte der Zerstrahlung der dunkler Materie in Elektron-Positron-Paare erhalten, indem die beobachteten Daten bei unterschiedlichen Wellenlängen (von Haslam, WMAP und Fermi) mit aktuellen Messungen von Elektron-Positron Spektren in der solaren Nachbarschaft durch PAMELA, Fermi und H.E.S.S. kombiniert werden. Wir betrachten Synchrotronemission bei Radiound Mikrowellenfrequenzen, sowie inverse Compton-Streuung und Final-State-Strahlung bei Energien im Bereich der Gamma-Strahlung. Für die meisten Werte der Modellparameter werden die stärksten Schranken durch das lokale Positron-Spektrum und die Synchrotronemission im Zentrum unser Galaxie bestimmt. Nach diesen Ergebnissen sollte der Wirkungsquerschnitt für die Paarzerstrahlung nicht größer als der kanonische Wert für thermische Relikte sein, wenn die Masse der dunklen Materie-Kandidaten kleiner als einige GeV ist. Zusätzlich leiten wir eine obere Grenze für den inneren logarithmische Anstieg α des Dichteprofiles des dunklen Materie Halos unserer Galaxie ab.

This thesis addresses the isotropic diffuse gamma-ray background, as measured by the Fermi gamma ray space telescope, and its implications for indirect detection of dark matter. We describe the measurement of the isotropic background, including also an alternative analysis method besides the one published by the Fermi-LAT collaboration. The measured isotropic diffuse background is compatible with a power law differential energy spectrum with a spectral index of  -2.41 ± 0.05 and -2.39 ± 0.08, for the two analysis methods respectively. This is a softer spectrum than previously reported by the EGRET experiment. This rules out any dominant contribution with a significantly different shape, e.g. from dark matter, in the energy range 20 MeV to 102.4 GeV. Instead we present upper limits on a signal originating from annihilating dark matter of extragalactic origin. The uncertainty in the dark matter signal is primarily dependent on the cosmological evolution of the dark matter distribution. We use recent N-body simulations of structure formation, as well as a semi-analytical calculation, to assess this uncertainty. We investigate three main annihilation channels and find that in some, but not in all, of our scenarios we can start to probe, and sometimes rule out, interesting parameter spaces of particle physics models beyond the standard model.We also investigate the possibility to use the angular anisotropies of the annihilation signal to separate it from a background originating from conventional sources, e.g. from active galactic nuclei. By carefully modelling the performance of the Fermi gamma-ray space telescope and galactic foregrounds we find that this method could be as sensitive as using information from the energy spectrum only. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 4: Manuscript.</p>

High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) est un réseau de cinq télescopes à imagerie Cherenkov atmosphérique, localisé dans l’hémisphère sud, ayant pour but principal l’étude de rayons cosmiques couvrant une gamme d’énergie de 30 GeV à plusieurs dizaines de TeV. La technique de détection Cerenkov ainsi que les spécificités de la méthode de reconstruction employée par H.E.S.S. I (première phase de l’expérience H.E.S.S.), sont décrites dans cette thèse. Après plus de dix ans d’activité, l’expérience H.E.S.S. a enregistré une quantité de données importante. En plus des régions d’intérêts sondées par ces détecteurs, où des sources astrophysiques ont déjà été dévoilées, l’étude d’événements collectés permet d’améliorer la compréhension de leur environnement sous-jacent. En effet, des émissions diffuses encore non-comprises se superposent aux rayonnements provenant de sources actives. Elles sont pourtant d’un intérêt significatif en astrophysique, physique des particules, cosmologie et même dans certains domaines de physique au-delà des modèles standards, tel que la recherche de matière noire. Les émissions diffuses et leurs précédentes études sont présentées dans cette thèse, ainsi que leurs possibles origines, depuis les mécanismes d’accélération de rayons cosmiques jusqu’à la production de rayon gamma dans les sources actives ou encore par des processus secondaires impliquant les interactions de rayons cosmiques avec le milieu interstellaire. Dans ce travail, des outils pour étudier les émissions diffuses ont été développés. L’approche choisie permet de distinguer les différentes composantes dans les données étudiées et extraire une estimation de leur poids dans le spectre. Elle prend en compte deux aspects, expliqués séparément dans cette thèse. Dans un premier temps, la morphologie de la source active présente dans le champ de vue est utilisée pour la modéliser et obtenir son spectre. Ensuite, pour distinguer les différentes contributions du fond, la méthode se base sur des fonctions de densité de probabilité construites à partir de variables discriminantes. L’étude et manipulation préliminaires nécessaires des variables discriminantes sont également détaillées. Des sources astrophysiques connues sont utilisées comme référence pour l’analyse. Les spectres résultants pour la source active, les électrons et hadrons diffus sont présentés et discutés, ainsi qu’une limite supérieure sur le flux de l’émission diffuse gamma extragalactique. Les erreurs systématiques associées ont été estimées. Une technique de "unfolding" a été mise en place et utilisée pour vérifier les résultats pour les émissions diffuses. / The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is an array of five Imaging Atmospheric \v{C}erenkov Telescopes (IACT) located in the Southern Hemisphere, whose primary goal is the study of cosmic gamma-rays in the 30 GeV - few tens of TeV energy range. The detection technique used by IACT as well as the specificities of the reconstruction method of H.E.S.S. I (first phase of the H.E.S.S. experiment) are fully described in this thesis. After more than ten years of activity the H.E.S.S. experiment has registered a large amount of data. In addition to the regions of interest that its detectors probe and where astrophysical sources were unveiled, many events collected provide useful information on their surrounding environment. Indeed, acting as a background to the active sources, one can find the diffuse emissions, which are not well understood and yet are of significant interest for astrophysics, particle physics, cosmology and even physics beyond standard models, such as the search for dark matter. The diffuse emissions and their previous studies are presented in this thesis, as well as their possible origin, starting from the acceleration of cosmic-rays mechanism and the gamma-ray production in the active sources or from secondary process involving cosmic-rays interactions in the interstellar medium.In this work, tools to investigate the diffuse emissions were developed. The approach aims at disentangling the different components of the studied data so as to extract an estimation of their weight in the spectrum. It takes into account two aspects, explained separately in this thesis. On the one hand, the morphology of the active source in the studied field of view is used to modelize it and obtain its spectrum. Then, to disentangle the different contributions in the background, the method is based on probability density functions (PDF) built with discriminant variables. The necessary preliminary study and manipulation of the discriminant variables is also detailed. Well known astrophysical sources are used as benchmarks for the analysis. The resulting spectra for the active source, diffuse electrons and hadrons are presented and discussed, in addition to an upper limit on the extragalactic diffuse gamma-ray emission flux. The associated systematic errors were estimated.

Dunkle Materie bindet etwa 24 % der gesamten Energie im Universum. Bis heute ist jedoch dessen Ursprung nicht bekannt. Untersuchungen von Galaxien und kosmologischen Messungen deuten auf Dunkle Materie hin. Ein Kandidat für Dunkle Materie ist das sogenannte Weakly Interactive Massive Particle (WIMP), welches nur der Schwerkraft und der schwachen Wechselwirkung unterliegt. Eines dieser supersymmetrischen Teilchen ist das Neutralino. Das Ziel dieser Arbeit ist es, nach Dunkler Materie in dieser Form zu suchen. Aufgrund seiner Nähe sowie der hohen Dichte an Dunkler Materie bietet das Zentrum unserer Galaxie besondere Möglichkeiten zur Suche nach diesen Teilchen. Es wird vermutet, dass Neutralinos miteinander wechselwirken, dabei in Teilchen des Standard Modells zerfallen und so Photonen mit hohen Energien entstehen. Die Suche nach hochenergetischen Gammastrahlen in der Nähe des Galaktischen Zentrums kann folglich das Rätsel der Dunklen Materie lösen. Das Gammastrahlenobservatorium VERITAS hat das Galaktische Zentrum für etwa 108 Stunden beobachtet. Diese Daten wurden mittels einer unbinned Likelihood-Analyse auf die Existenz von Dunkler Materie untersucht. Da VERITAS das Galaktische Zentrum bei geringer Elevation beobachtet, können nur Gammastrahlen in einem Energiebereich zwischen 4 und 70 TeV detektiert werden. Die Analysemethode modelliert sowohl die räumliche Verteilung der Dunklen Materie als auch das Gammastrahlenspektrum. Der Beitrag der Gammastrahlen, welcher nicht von Dunkler Materie erzeugt wird, ist mittels einer punktförmigen Quelle modelliert. Zum Schluss wird der Untergrund mit realen Daten außerhalb des Galaktischen Zentrums abgeschätzt. Im Energiebereich zwischen 4 und 100 TeV wurden keine Signale der Dunklen Materie gefunden. Obere Grenzwerte für den Wechselwirkungsquerschnitt der WIMPs ergeben ⟨σv⟩ < (6.6 − 7.6) × 10−25 cm^3 oberhalb von 70 TeV in einem 95-prozentigen Erwartungsintervall. / Dark matter accounts for 24% of the universe’s energy, but the form in which it is stored is currently unknown. Understanding what form this matter takes is one of the major unsolved mysteries of modern physics. Much evidence exists for dark matter in the measurements of galaxies, dwarf galaxies, galaxy clusters, and cosmological measurements. One theory posits dark matter is a new undiscovered particle that only interacts via gravity and the weak force, called a weakly interacting massive particle (WIMP). One WIMP candidate is a supersymmetric particle called a neutralino. The objective of this thesis is to search for these dark matter particles, and attempt to measure their mass and cross section. Dark matter particles appear to concentrate in most galaxy-scale gravitational wells. One region of space that is both nearby and assumed to have a high density of dark matter is the center of our own galaxy. The neutralino is expected to annihilate into Standard Model particles, which may decay into photons. Therefore, a search for gamma rays near the Galactic Center may uncover the presence of dark matter. 108 hours of VERITAS gamma-ray observations of the Galactic Center are used in an unbinned likelihood analysis to search for dark matter. The Galactic Center’s low elevation results in VERITAS observing gamma rays in the 4–70 TeV energy range. The analysis used in this thesis consists of modeling the halo of dark matter at the Galactic Center, as well as the spectrum of gamma rays produced when two WIMPs annihilate. A point source is added to model the non-dark-matter gamma-ray emission detected from the Galactic Center. Background models are constructed from data of separate off-Galactic-Center observations. No dark matter signal is found in the 4–100 TeV mass range. Upper limits on the WIMP’s velocity-averaged cross section have been calculated, which above 70 TeV result in new limits of ⟨σv⟩ < (6.6 − 7.6) × 10−25 cm3 at the 95% confidence level.

Das IceCube Neutrino Observatorium am Südpol hat die Existenz eines diffusen astrophysikalischen Neutrinoflusses nachgewiesen. Die Flavor-Zusammensetzung astrophysikalischer Neutrinos trägt Informationen über Orte kosmischer Teilchenbeschleunigung und Auswirkungen potenzieller neuer Physik auf die Neutrinoausbreitung. Zur seiner Bestimmung ist die Beobachtung von Tau-Neutrinos nötig. Ab einer Energie von ~O(100 TeV) kann deren Wechselwirkung über geladene Ströme eine Doppelkaskaden-Topologie ergeben, bei der die zwei Energiedepositionen am Tau-Entstehungs- und Tau-Zerfallsvertex aufgelöst werden können. Diese wird zusammen mit den bereits bekannten Topologien Einzel-Kaskade und Spur zur Messung der Flavor-Zusammensetzung auf der Erde benutzt. In dieser Arbeit werden im Detektorvolumen von IceCube anfangende Ereignisse mit hohen Energien algorithmisch in drei Topologien klassifiziert. Im Datensatz mit einer Lebensdauer von 7.5 Jahren werden zum ersten Mal zwei Doppelkaskaden identifiziert; diese sind Kandidaten für Tau-Neutrinos. Die Eigenschaften der zwei Tau-Neutrino-Kandidaten werden in einer a-posteriori Analyse im Detail studiert. Die statistische Methode wird durch einen Log-Likelihood-Quotienten-Test mit multi-dimensionalen Wahrscheinlichkeitsdichten verbessert. Eine der Doppelkaskaden ist konsistent mit dem Szenario einer misklassifizierten Einzelkaskade, während für die zweite Doppelkaskade die Wahrscheinlichkeit eines nicht-Tau-Neutrino Szenarios auf nur 3% bestimmt wird. Die gemessene Flavor-Zusammensetzung ist konsistent mit der Annahme von astrophysikalischen Neutrinos sowie mit bisher veröffentlichen Resultaten. Die Messung ergibt einen astrophysikalischen Tau-Neutrino Fluss von dPhi / dE=3.0 (-1.8,+2.2) (E / 100TeV)^(-2.87) 10^(-18) GeV^(-1) cm^(-2) s^(-1) sr^(-1), was dem ersten positiven Ergebnis für die Tau-Normalisierung entspricht. Die Nichtexistenz eines astrophysikalischen Tau-Neutrino Flusses wird mit einer Signifikanz von 2.8 sigma abgelehnt. / The IceCube neutrino observatory at the South Pole has confirmed the existence of a diffuse astrophysical neutrino flux. The flavor composition of astrophysical neutrinos carries information on the environments at the sites of cosmic particle acceleration as well as potential imprints of new physics acting during neutrino propagation. To measure the flavor composition the observation of the long-elusive tau neutrinos is required. Starting at an energy of ~O(100 TeV) a tau neutrino charged current interaction can produce a double cascade topology, where the two energy depositions from the tau creation and the tau decay vertices are resolvable. This topology together with the well-established track and single cascade topology is used to measure the flavor composition on Earth. In this work, high-energy events starting in IceCube's detector volume are classified algorithmically into the three topologies. In the dataset with a livetime of 7.5 years, two events are classified as double cascades for the first time, yielding multi-TeV tau-neutrino candidates. The properties of the two tau-neutrino candidates are investigated in an a-posteriori analysis. The statistical method is improved by performing a log-likelihood-ratio test using multi-dimensional probability densities. One of the double cascades is consistent with being a misclassified single cascade, while the second double cascade is found to have a misclassification probability of only 3%. The measured flavor composition nu_e:nu_mu:nu_tau = 0.20:0.39:0.42 is consistent with astrophysical neutrinos and with previously published results. The astrophysical tau-neutrino flux is measured to dPhi / dE=3.0 (-1.8,+2.2) (E / 100TeV)^(-2.87) 10^(-18) GeV^(-1) cm^(-2) s^(-1) sr^(-1) with spectral index gamma=2.87 (-0.20,+0.21), yielding the first non-zero results for the tau normalization. The absence of an astrophysical tau-neutrino flux is disfavored at 2.8 sigma.

Polarisation of X-ray light is being investigated with polarimeters to extend the borders of what can be observed. Distant compact objects, such as pulsars, that are to small on the sky to be analysed with imaging can be investigated by analysing the polarisation of the emitted light. This can reveal physics previously hidden by their small nature. There are many models that aim to describe the polarisation of these compact objects to make sense of what is measured. Two examples are the outer gap and two-pole caustic models. The X-ray polarimeter XL-Calibur is a balloon-borne telescope capable of detecting X-rays in the $15-80$ keV energy range. In this thesis details on the polarisation of light, how it can be measured and some principles of X-ray polarimetery is discussed. A new feature in the simulation of XL-Calibur in Geant4 is also described and used to investigate the possibility for XL-Calibur to distinguish between different Crab pulsar polarisation models at different signal rates. The results show that signal rates under 2 Hz yield insufficient data to distinguish between the two models using the measured polarisation fraction and angle. For greater signal rates XL-Calibur does in fact differentiate between the models correctly. New methods for the statistical analysis of data can be explored to allow more data to be salvaged, even for low signal rates. The derivation of polarisation parameters is fixed through Stokes parameters in this thesis. / Polarisationen av röntgenljus undersöks med polarimetrar för att utvidga gränserna för vad som kan observeras. Avlägsna kompakta objekt, såsom pulsarer, som är för små och för långt borta på himlen för att analyseras med optiska metoder, kan undersökas genom att analysera polarisationen av det utstrålade ljuset. Detta kan avslöja fysik som tidigare var dold på grund av deras storlek. Det finns många modeller som syftar till att beskriva polarisationen av dessa kompakta objekt för att förstå vad som mäts. Två exempel är modellerna: outer gap och two-pole caustic. Röntgenpolarimetern XL-Calibur är ett ballongburet teleskop som kan detektera röntgenstrålning i energiområdet $15-80$ keV. I denna avhandling diskuteras detaljer om ljusets polarisation, hur det kan mätas och några principer för röntgenpolarimetri. En ny funktion i simuleringen av XL-Calibur i Geant4 beskrivs också. Den används för att undersöka möjligheten för XL-Calibur att särskilja mellan olika polariseringsmodeller för Krabbpulsaren vid olika signaltakter. Resultaten visar att för signaltakter under 2 Hz, blir datan otillräcklig för att särskilja mellan de två modellerna både för polarisationsgraden och vinkeln. För högre signaltakter kan XL-Calibur skilja mellan modellerna. Nya metoder för statistisk analys av data kan utforskas för att möjliggöra att mer data kan användas, även för låga signaltakter. I denna avhandling beräknas polarisationsparametrarna genom Stokesparametrarna.