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.

Diese Arbeit präsentiert Ergebnisse einer Suche nach einem diffusen Fluss hochenergetischer, extraterrestrischer Neutrinos. Solch ein Fluss wird von verschiedenen Modellen zur Entstehung kosmischer Strahlung vorhergesagt. In einem Neutrinodetektor wie IceCube stehen im wesentlichen zwei Signaturen zum Nachweis der Neutrinos zur Verfügung: Das spurartige Lichtsignal eines neutrinoinduzierten Myons und das sphärische Lichtmuster eines neutrinoinduzierten Teilchenschauers, hier Kaskade genannt. Gesucht wurden neutrinoinduzierte Kaskaden mit Hilfe des IceCube-Neutrinodetektors. Die Daten stammen aus der Zeit von 2008 mit 367 Tage Messzeit. In dieser Zeit befand sich der Detektor noch im Aufbau und hatte etwa die Hälfte seiner Größe erreicht. Eine Neutrinoflusssuche mittels Kaskaden ist sensitiv auf alle Neutrinoflavors. Da sich die Kaskaden nur über wenige Meter ausdehnen, ist anders als bei den kilometerlangen Myonspuren, eine gute Energierekonstruktion möglich. Dadurch kann der astrophysikalische Neutrinofluss vom atmosphärischen Neutrinountergrund statistisch unterschieden werden. In der Simulation von neutrinoinduzierten Kaskaden wurde bisher nicht berücksichtigt, dass innerhalb einer hadronischen Kaskade auch Myonen erzeugt werden. Dieses kann die Form der Kaskade dahingehend beeiflussen, dass die sphärische Symmetrie abnimmt. Daher wurde der Effekt in dieser Arbeit parametrisiert und der Simulation hinzugefügt. Weiter wurden Schnitte auf die Ereignistopologie und rekonstruierte Energie entwickelt, welche den Untergrund aus atmosphärischen Myonen und atmosphärischen Neutrinos reduzieren. Vier der gemessenen Ereignisse passieren diese Schnitte. Aufgrund der hohen systematischen Fehler ist dieses Ergebnis mit einer Untergrunderwartung von 0.72+/-0.28+1.54-0.49 Ereignissen verträglich. Unter der Annahme eines Flavorverhältnisses von 1:1:1 bestimmt sich daraus die obere Grenze für den Neutrinofluss zu 9.5*10^-8 E^-2 GeV/s/sr^/cm^2. / This thesis presents results of a search for a diffuse flux of high energetic neutrinos from extra-terrestrial origin. Such a flux is predicted by several models of sources of cosmic ray particles. In a neutrino detector, such as IceCube, there are mainly two signatures available for detection of neutrinos: The track-like light signal of a neutrino induced muon and the spherical light pattern of a neutrino induced particle shower, called cascades in this context. The search is based on the measurement of neutrino induced cascades within the IceCube neutrino detector. The data were taken in 2008/2009 with a total uptime of 367 days. At that time the detector was still under construction and had just reached half of its final size. A search for a neutrino flux using cascades is sensitive to all neutrino flavors. A cascade develops within few meters, in contrast to the muon track of several kilometers length. Therefore a good energy reconstruction is possible. With such a reconstruction the astrophysical neutrino flux can be statistically distinguished from the background of atmospheric neutrinos. In the simulation of cascades so far it was not included, that in hadronic cascades muons are produced. This can influence the shape of the cascade, to a less spherical one. Therefore the effect was parameterized in this thesis and included in the simulation. Further cuts on the event topology and reconstructed energy were developed, in order to reduce the background of atmospheric muons and atmospheric neutrinos. Four events from the measured data pass these cuts. Taking the high systematic uncertainties into account, this result is in agreement with the expected background of 0.72+/-0.28+1.54-0.49 events. For an assumed flavor ratio of 1:1:1$ the upper limit for the all flavor neutrino flux is 9.5*10^-8 E^-2 GeV/s/sr/cm2.

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.

IceTop ist ein Luftschauerdetektor am geographischen Südpol und die Oberflächenkomponente des Neutrinoteleskops IceCube. Seit der Fertigstellung im Dezember 2010 besteht IceTop aus 81 Detektorstationen auf einer Fläche von einem Quadratkilometer. Die vorliegende Dissertation umfasst eine Analyse von Daten, die im Jahr 2007 mit den 26 damals installierten Stationen genommen wurden. Dazu wurden zunächst Schauerposition und -richtung und ein Maß für die Größe des Schauers aus den Signalen rekonstruiert. Der Zusammenhang zwischen Primärenergie und Schauergröße wurde aus Monte-Carlo-Simulationen bestimmt. Dabei wurde eine Annahme über die chemische Zusammensetzung der kosmischen Strahlen gemacht. Damit wurde das Spektrum der Schauergrößen entfaltet um das Energiespektrum zu bestimmen. Dies wurde getrennt für verschiedene Zenitwinkelbereiche durchgeführt. Das Resultat der Entfaltung hängt von der angenommenen Massenkomposition ab. Die Ergebnisse, der Entfaltung in verschiedenen Zenitwinkelintervallen, müssen übereinstimmen, wenn man Isotropie der komischen Strahlung voraussetzt. Es wurde bereits gezeigt, dass dies ausgenutzt werden kann, um die möglichen Annahmen über die Zusammensetzung einzugrenzen. Eine gute Übereinstimmung von Spektren aus verschiedenen Zenitwinkelbereichen wird unter der Annahme von reinen Protonen als Primärteilchen gefunden, sowie für eine Mischung aus Protonen und Eisen mit einem hohen Protonanteil bei niedrigen Energien und einer Mehrheit von Eisen bei hohen Energien. Unter diesen Annahmen ergibt sich die Position des Knies im Spektrum zu 3,97 bis 4,20PeV. Der spektrale Index unterhalb des Knies ist etwa -2,7 und oberhalb des Knies variiert er zwischen -3,08 und -3,15. Reines Eisen auf der anderen Seite kann mit sehr großer Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden. Unabhängig von der Annahme über die Zusammensetzung wird oberhalb von etwa 30PeV ein Abflachen des Spektrums mit einem Index von etwa -3,0 beobachtet. / IceTop is an air shower array at the geographic South Pole. It is the surface component of the IceCube neutrino telescope. Since its completion in December 2010, IceTop consists of 81 detector stations covering an area of 1km². In this dissertation, an analysis of data taken in 2007 with 26 IceTop stations operational at that time is presented. Air showers were reconstructed in order to determine the location of the shower core, their direction and the shower size. The relation between primary energy and shower size was determined from Monte Carlo simulations. An assumption was made about the chemical composition of cosmic rays. The information obtained in these simulations were then used to unfold the spectrum of measured shower sizes in order to obtain the all-particle cosmic ray energy spectrum. This was done independently for particles from three different zenith angle intervals. The result of the unfolding depends on the assumed primary composition. Due to the isotropy of cosmic rays, results obtained in different zenith angle intervals must agree. It has already been shown that this requirement can be used to constrain the range of possible assumptions on the chemical composition of primary particles. Good agreement of spectra from different zenith angle ranges has been found under the assumption of pure proton primaries, as well as for a mixture of protons and iron with a relatively large proton contribution at low energies and proton dominance at high energies. Under these assumptions the knee of the cosmic ray energy spectrum has been observed at energies between 3.97 and 4.20PeV. The spectral index below the knee is about -2.7 and varies between -3.08 and -3.15 above the knee. Pure iron as primary particles can be excluded at a high confidence level below 25PeV. Independent of the primary composition assumption a flattening of the energy spectrum with an index of about -3.0 has been observed above 30PeV.

Die Kerne aktiver Galaxien (AGNs) und einige galaktische Objekte wie z.B. Supernovaüberreste gelten als vielversprechende Kandidaten für die Quellen der hochenergetischen kosmischen Strahlung. Der Nachweis der Emission von hochenergetischen Neutrinos von diesen Objekten wäre ein starker Hinweis für die Beschleunigung von Protonen oder schwereren Kernen. Bisher wurde jedoch keine Punktquelle hochenergetischer Neutrinos identifiziert. Durch die Beobachtung aktiver galaktischer Kerne mit gamma-Strahlung im TeV-Bereich ist bekannt, dass die Emission von AGNs zeitlich extrem variabel ist. Modelle sagen vorher, dass auch die Neutrinoemission diese Variabilität aufweist. Um im Falle der Detektion zeitabhängiger Neutrinoemission von AGNs möglichst viel über den Emissionsmechanismus zu lernen, ist es entscheidend, Daten verschiedener Energiebereiche und Botenteilchen (Neutrinos und Photonen) zur Verfügung zu haben. Durch das beschränkte Gesichtsfeld und den geringen Duty-Cycle der TeV-gamma Instrumente, können diese jedoch nicht alle potentiell interessanten Quellen lückenlos überwachen. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und die ersten Resultate eines Systems, dass Daten des Neutrinoteleskops IceCube direkt am Südpol analysiert, um Alarme an die TeV-Teleskope MAGIC und VERITAS zu senden, falls eine erhöhte Neutrinoemission eines überwachten Objekts detektiert wird. Der Katalog überwachter Objekte, der im ersten Jahr dieses Programms aktiv war, umfasste 109 Objekte in der nördlichen Himmelshemisphäre (delta>0). Das System befindet sich seit März 2012 kontinuierlich Betrieb und hat von Mai 2012 bis Mai 2013 fünf Alarme generiert. Ein Alarm am 9.November 2012 resultierte in einer Folgebeobachtung durch die VERITAS-Teleskope. Es wurde kein signifikanter gamma-Fluss im TeV-Bereich detektiert. Weiterhin werden Verbesserungen der IceCube Online-Analysemethode beschrieben, die die Sensitivität des vorgestellten Programms in naher Zukunft weiter verbessern werden. / Active Galactiv Nuclei (AGN) and galactic objects like e.g. supernova remnants are promising candidates for the sources of the high-energy cosmic rays. The detection of high-energy neutrinos from these objects would be a strong hint for the acceleration of protons or heavier nuclei. No source of high-energy astrophysical neutrinos has been identified up to now. From the observation of AGN with TeV gamma-rays it is known that their emission is highly variable. Models predict that also the neutrino emission should show that variability. If time-dependent neutrino emission would be detected it would be desirable to have simultaneous data for different messengers (neutrinos and photons) and energy ranges, to learn as much as possible about the emission mechanism. However, due to the small field of view and the low duty cycle of the TeV gamma instruments, not all interesting sources can be continuously monitored. This work describes the development and the first results of a system, that analyses data of the IceCube neutrino telescope online at the South Pole, in order to send alerts to the TeV telescopes MAGIC and VERITAS in case a statistically interesting cluster of neutrinos is detected from an monitored source. This program is termed the Neutrino Triggered Target of Opportunity program (NToO). The catalog of sources monitored during the first year of operation contained 109 objects in the northern sky (delta>0). The system has been continuously operated since March 2012 and has sent five alerts between May 2012 and May 2013. One alarm issued on 9 November 2012 resulted in a follow-up observation by the VERITAS telescopes. No significant TeV-gamma flux has been detected. Improvements to the IceCube online analysis are described that will further improve the sensitivity of the NToO in the near future.

In dieser Dissertation werden Daten aus drei Jahren vom vollständig fertiggestellten IceCube-Detektor benutzt um nach Neutrinos zu suchen, die in Dunkle-Materie-Annihilationen in fünf nahegelegen Zwerggalaxien, der M31 Galaxie und dem Virgo Galaxienhaufen produziert wurden. Um die Messung durchzuführen, wurde zunächst eine Ereignis-Selektion angewandt, die es ermöglicht, die von aus der Atmosphäre stammenden Teilchen dominierte Rate der Ereignisse von zirka 100 Hz auf 0.5 mHz zu reduzieren. Danach wird eine Maximum-Likelihood-Schätzer eingesetzt um zu bestimmen ob es ein Überschuss von Neutrinos aus der Richtung der jeweiligen Quellen gibt, der mit einen Energie-Spektrum übereinstimmt das mann für Dunkle-Materie-Annihilationen erwartet. Für die M31 Galaxie und den Virgo Galaxienhaufen wurde zusätzlich zu dieser Suche nach einer Punktquelle auch eine Suche für ein erweitertes Signal durchgeführt. In allen untersuchten Fällen ist das Ergebnis der Analyse vereinbar mit einer Messung der Hintergrund-Hypothese, und daraus wurden Limits für den über die Geschwindigkeit gemittelten Wirkungsquerschnitt für Dunkle-Materie-Annihilation für verschiedene Endprodukte bestimmt. Für hohe Dunkle-Materie-Massen gibt es ein Überschuss von Neutrinos aus drei der Zwerggalaxien. Dieser Überschuss hat einen globalen p-Wert von 4.9% und ist damit nicht statistisch signifikant. Die Suche für ein erweitertes Signal von der M31 Galaxie und dem Virgo Galaxienhaufen ergab keinen Überschuss. Die Limits auf den über die Geschwindigkeit gemittelten Wirkungsquerschnitt für Dunkle-Materie-Annihilation haben sich im Vergleich zu vorherigen IceCube-Analysen signifikant verbessert, um bis zu einer Größenordnung. Diese ist teilweise auf Grund Verbesserungen für diese Analyse besonders: eine verbesserte Ereignis-Selektion, und für die Analyse ist eine Maximum-Likelihood-Schätzer eingesetzt statt eine Analyse in ein Suchfenster. / In this thesis, three years worth of data from the completed IceCube detector is used to search for neutrinos produced in dark matter annihilations in five nearby dwarf galaxies, the M31 galaxy and the Virgo cluster. To do this, an event selection which was developed for this analysis is applied to the data sample to reduce the atmospheric background rate from approximately 100 Hz to less than 0.5 mHz. Then, an unbinned maximum likelihood method is used to determine whether there is an excess of neutrinos from the direction of the considered galaxies or galaxy cluster that has an energy spectrum that matches the spectrum expected from dark matter annihilations. For the M31 galaxy and the Virgo cluster an extended signal with a two-dimensional Gaussian shape and width up to 5 degrees is also considered. In all cases, the results of the analysis are compatible with the background-only hypothesis and limits are set on the velocity-averaged dark matter annihilation cross section for different annihilation channels. For high dark matter masses there is an excess of neutrinos from three of the five dwarf galaxies. This excess has a global p-value of 4.9%, so it is not statistically significant. The search for an extended emission from the direction of the M31 galaxy and the Virgo cluster also did not result in an excess: in both cases the global p-value is larger than 50%. The limits on the velocity-averaged dark matter annihilation cross section have improved significantly (up to an order of magnitude) with respect to the previous IceCube analysis considering these same targets. This is partially due to improvements to this analysis specifically: an improved event selection was used to select the final data sample and an unbinned maximum likelihood method was used for the final analysis instead of a binned analysis method.

The IceCube Neutrino Telescope is designed to detect high energy neutrinos with a large array of photomultiplier tubes placed deep within the Antarctic ice. The way that light propagates through the ice needs to be modelled accurately to enable the paths of charged particles to be reconstructed from the distribution of their Cerenkov radiation. Light travelling through even the purest of ice will undergo scattering and absorption processes, however the ice in which IceCube is embedded has optical properties that vary significantly with depth which need to be accurately modelled. Currently, simulation of the muon background using the current ice model is unable to fully replicate experimental data. In this thesis we investigate a potential method of improving on the current generation of ice models. We introduce thin, highly absorbing layers into the current description of the detection medium and investigate the effect on the simulation of muon tracks in IceCube. We find that better agreement between simulation and data can be seen in the occupancy of optical modules, through the introduction of such absorptive layers into the existing ice layers.

Many astronomical observations, including rotational curve measurements of stars and the analysis of the cosmic microwave background, suggest the existence of an invisible matter density content in the Universe, commonly called Dark Matter (DM). Possibly, DM could be of particle nature, where Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) could be a viable DM candidate. The cubic-kilometer sized IceCube neutrino observatory located at the Earth’s South Pole can search indirectly for the existence of DM by detecting neutrino signals from WIMP self-annihilation in the Galactic center (GC) and the Galactic halo (GH). Two main physics analyses were developed and conducted to search indirectly for WIMP self-annihilation in the Milky Way’s GC and GH. Signal hypotheses for different WIMP annihilation channels, WIMP masses and DM halo profiles were tested. The results of both analyses were compatible with the background-only hypothesis for all tested signal hypotheses. Thus, upper limits at the 90% confidence level (C.L.) on the thermally averaged DM self-annihilation cross-section, &lt;σΑv&gt;, were set. Dedicated atmospheric muon veto techniques have been developed for the GC search making such an IceCube analysis possible for the first time. The GC analysis utilized data from 319.7 days of live-time of the IceCube detector running in its 79-string configuration during 2010 and 2011, whereas the GH analysis utilized pre-existing data samples developed for point-like neutrino sources with a live-time of 1701.9 days between 2008 and 2013. The most stringent upper limits on &lt;σΑv&gt; were obtained for WIMP annihilation directly into a pair of neutrinos assuming a Navarro-Frenk-White (NFW) DM halo profile. Conducting the GC and GH analyses for this annihilation channel an upper limit on &lt;σΑv&gt; as low as 4.0 · 10-24 cm3 s-1 and 4.5 · 10-24 cm3 s-1 is set for a 65 GeV and 500 GeV massive WIMP, respectively. These galactic indirect neutrino searches for DM are complementary to the indirect gamma-ray DM searches usually performed on extra-galactic targets like spheroidal dwarf galaxies. / <p>At the time of the doctoral defense, the following paper was unpublished and had a status as follows: Paper 2: Manuscript.</p>