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.

Der Ursprung der kosmischen Strahlung ist ein hundert Jahre altes Rätsel der Astrophysik. Mit modernen Großobservatorien wurde die kosmische Strahlung bei immer höheren Energien gemessen, aber auch andere Boten wie Gammateilchen und Neutrinos werden nun zur Erforschung des nichtthermischen Universums eingesetzt. Das IceCube Neutrino Observatory hat den extragalaktischen diffusen Neutrinofluss in verschiedenen Kanälen gemessen, aber bis heute ist weitgehend ungeklärt, woher dieser Fluss stammt. Diese Arbeit verwendet Selektionen von spur- und kaskadenartigen Ereignissen, die zuvor für solche Messungen verwendet wurden. Beide Selektionen werden erstmals durch eine kohärente Modellierung der Signal- und Hintergrundereignisse sowie der Detektorantwort kombiniert, wobei der Schwerpunkt auf der Verwendung einer neuartigen Simulationsmethode zur konsistenten Behandlung von Unsicherheiten in der Detektorantwort liegt. Erstmals werden Hinweise auf eine Struktur im Energiespektrum des extragalaktischen diffusen Neutrinoflusses gefunden, entsprechend einem Flussüberschuss um 30 TeV und einem Flussdefizit sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Energien im Vergleich zum bisher verwendeten einfachen Potenzgesetz-Spektralmodell. Das Modell des einfachen Potenzgesetzes wird mit 4.4 Sigma verworfen, verglichen mit der Hypothese des gebrochenen Potenzgesetzes. Weitere spektrale Modelle werden untersucht und die Robustheit des Ergebnisses wird demonstriert. Diese präzise Messung des extragalaktischen Neutrinoflusses und der Nachweis eines Bruchs im Spektrum ermöglichen ein besseres Verständnis extragalaktischer Neutrinoemitter. Die in dieser Arbeit entwickelte Methodik legt auch den Grundstein für zukünftige Analysen, die hochenergetische Neutrinodatensätze kombinieren. / The origin of cosmic rays remains a century-old mystery in astrophysics. With the advent of modern large-scale observatories, those cosmic rays have been measured at ever higher energies, but also other messenger particles such as gamma rays and neutrinos are now used to study the non-thermal universe. The IceCube Neutrino Observatory has established the extragalactic diffuse neutrino flux through various detection channels, whose origin also remains largely unexplained to this date. The work presented in this thesis uses track- and cascade-like event selections used previously for such measurements. Both are combined, for the first time, using a coherent modeling of the signal and background events as well as the detector response. The coherent modeling is developed in this thesis, with a dedicated focus on using a novel simulation method to treat detector response uncertainties consistently. For the first time, evidence for structure in the energy spectrum of the extragalactic diffuse neutrino flux is found, exhibiting a flux excess around 30 TeV and flux deficits at lower as well as higher energies compared to the previously used single power law spectral model. The single power law model is rejected with 4.4 sigma when compared to a broken power law hypothesis. Various spectral models are studied and the robustness of this result is demonstrated. This precise measurement of the extragalactic neutrino flux and the evidence for a break in the spectrum enable a better understanding of extragalactic neutrino emitters. The methodology developed in this thesis also lays the groundwork for future analyses combining high-energy neutrino datasets.

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.

In dieser Arbeit wird eine Analyse der TeV gamma-Strahlung in der Region um den galaktischen Sternhaufen Westerlund 2 präsentiert. Der dazu analysierte Datensatz beruht auf Observationen mit den Cherenkov Teleskopen des High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) Experiments und umfasst ~80h Beobachtungszeit. Für die Datenanalyse wird die open-source Software gammapy benutzt, um morphologische und spektrale Modelle der gamma-Emission zu erstellen. Zur Modellauswahl wird das Akaike-Informationskriterium angewandt. Die Ergebisse der Analysen werden weiter mit Daten aus anderen Wellenlängenbereichen kombiniert, um Schlüsse auf den möglichen Ursprung der TeV-Signale zu ziehen. Neben Hinweisen auf eine diffuse gamma-Emission und mehrerer Hotspots um Westerlund 2 ist die Detektion von drei ausgedehnten gamma-Strahlungsquellen das Hauptergebnis der dargelegten Analysen. Zusätzlich zu den bekannten Quellen HESS J1023-575 und HESS J1026-582 wird die Detektion einer neuen, elliptischen Quelle südöstlich von HESS J1023-575 präsentiert. Diese neue Quelle, als ''TeV jet cloud'' bezeichnet, zeigt räumliche Übereinstimmung mit länglichen Gaswolken, die in CO und HI Radio Daten gefunden wurden. Der Ursprung dieser Gaswolken könnte der Jet eines Mikroquasars oder einer anisotropischen Supernova sein. Eine weitere räumliche Übereinstimmung zeigt HESS J1023-575 mit einer sphärischen Gaswolke, die ihren Ursprung in einer Supernova haben könnte. HESS J1023-575 und die Gaswolken sind dabei symmetrisch zur Hauptachse der neuen elliptischen gamma-Quelle ausgerichtet, was eine Verbindung der Komponenten in einem hadronischen Emissionszenario nahelegt. Aus den Wolkenmassen und der gamma-Emission ergibt sich eine Verstärkung der kosmischen Strahlung in der Region, was auf aktive Teilchenbeschleunigung hindeutet. Sollte ein Mikroquasar in der Region gefunden werden, könnte dieses die erste Detektion eines galaktischen hochenergetischen Jets mit Cherenkov Teleskopen sein. / This work presents a study of the TeV gamma-ray emission in the region of the stellar cluster Westerlund 2. The main dataset analysed in this work was obtained with the imaging atmospheric Cherenkov telescopes of the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.), comprising a total of ~80h of observation time. The high-level analysis of the dataset is performed with the open-source software gammapy to produce extensive spectral and spatial models for the observed emission. The best-fitting models are determined by using the Akaike information criterion. The results are combined with findings from other wavelengths to probe different emission scenarios. Besides hints of a diffuse emission and the detection of multiple hotspots, the presented studies yield three extended gamma-ray sources around Westerlund 2. Besides the known sources HESS J1026-582 and HESS J1023-575, an elongated elliptical gamma-ray source referred to as ''TeV jet cloud'' is newly found to the south east of HESS J1023-575. It shows a spatial coincidence with elongated cloud structures seen in CO and HI radio data which may originate from a high energy jet of a mircroquasar or an anisotropic supernova. Another spatial agreement is seen between HESS J1023-575 and a spherical shell of hydrogen gas which may be the remains of an old supernova remnant. HESS J1023-575 and the gas cloud structures symmetrically align along the major axis of the TeV jet cloud. This suggests a connection of these components in a hadronic emission scenario. Combining the masses of the clouds with the measured gamma-ray flux yields a high cosmic ray enhancement factor, suggesting active particle acceleration in the region. If a microquasar would be found around the best-fit position of HESS J1023-575, this could be the first detection of a galactic high energy jet at TeV energies with Cherenkov telescopes.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Aspekten der Gammastrahlungsastronomie. Einerseits studiert sie die Anforderungen an das zukünftige CTA-Observatorium für Gammastrahlung und präsentiert insbesondere Abschätzungen der Datenmengen, die während des Betriebs des Observatoriums anfallen werden. Für das größere CTA-Teleskopfeld auf der Südhalbkugel werden demnach eine Triggerate von 13 kHz und Datenraten von bis zu 2500 MB/s erwartet. Unter der Annahme, dass 15% der Zeit für Beobachtungen genutzt werden können, ergibt sich in 15 Jahren ein Datenvolumen von bis zu 165 PB. Die Implementation eines entsprechenden Systems zur Datenerfassung und -speicherung stellt eine Herausforderung dar, die jedoch mit existierenden Technik bewältigt werden kann. Andererseits befasst sie sich mit dem Supernovaüberrest RX J0852.0-4622 (auch bekannt als Vela Junior), präsentiert die Ergebnisse einer Analyse von Daten, die mit dem H.E.S.S.-Experiment genommen wurden, und geht der Frage nach, ob RX J0852.0-4622 ein kosmischer Teilchenbeschleuniger ist. Dabei erlauben die präzisen Messungen eine im Vergleich zu früheren Veröffentlichungen verbesserte Bestimmung der Eigenschaften der emittierenden Teilchenpopulation. Es ergibt sich, dass das Energiespektrum von RX J0852.0-4622 ein Potenzgesetz ist, das zu hohen Energien hin mit einer Abschneideenergie von 7.2 TeV exponentiell unterdrückt wird. Abschließend wird anhand von Simulation gezeigt, dass CTA die Abschneideenergie von RX J0852.0-4622 signifikant besser bestimmen können wird. Diese genauere Vermessung des Energiespektrums sollte dazu beitragen, den hadronischen oder leptonischen Charakter der Emission aufzuklären. / This work focuses on two different aspects of gamma-ray astronomy. On the one hand, it studies the instrumental challenge posed by the future CTA Observatory by estimating the amount of data to be collected. Based on an analysis of simulated data, the more demanding southern array is expected to have an array trigger rate of 13 kHz, a data rate of up to 2500 MB/s and a data volume after 15 yr of operation and assuming a duty cycle of 15% of up to 165 PB. The design of the data acquisition and storage systems will be a challenge but should be manageable with existing technologies. On the other hand, it studies supernova remnants, by presenting analysis results of the gamma-ray data of the RX J0852.0-4622 supernova remnant (commonly known as Vela Junior) measured with the operating H.E.S.S. experiment and interpreting them in order to check the plausibility of RX J0852.0-4622 being a cosmic ray accelerator. The more precise measurements permit a better determination of the parent particle population properties with respect to previous publications. More precisely, a clear curvature of the spectrum of RX J0852.0-4622 is measured with an exponential energy cut-off at 7.2 TeV. Finally, the analysis of simulated data shows that CTA should be able to significantly improve the determination of the spectral energy cut-off of RX J0852.0-4622, which should help in identifying the nature of the gamma-ray emission.