Galaktische und extra-galaktische Objekte sind in der Lage geladene Teilchen (die kosmische Strahlung) zu sehr hohen Energien zu beschleunigen. Allerdings sind noch viele Fragen bezüglich dieser Objekte und der Beschleunigungsmechanismen offen. Sowohl Gammastrahlung als auch Neutrinos werden von den Quellen kosmischer Strahlung erwartet. Ihr Nachweis ermöglicht die Studie dieser kosmischen Teilchenbeschleuniger. Gammastrahlung wurde von galaktischen und extra-galaktischen Objekten beobachtet. Für viele dieser Objekte ist es jedoch nicht eindeutig ob diese Gammastrahlung ein Resultat der Beschleunigung kosmischer Strahlen ist. Für Neutrinos besteht diese Zweideutigkeit nicht, sie sind eindeutige Spuren der Beschleunigung kosmischer Strahlen. Der Südhimmel beheimatet viele galaktische Objekte von denen Gammastrahlung im GeV und TeV Bereich beobachtet wird. Die Detektion von Neutrinos wäre ein Beweis für die Beschleunigung kosmischer Strahlung. Der Nachweis dieser Neutrinos mit IceCube wird durch den großen Untergrund von atmosphärischen Myonen erschwert. Die hier verwendete Analyse ist auf die Selektion von Myonspuren aus Wechselwirkungen von Myonneutrinos im Detektorvolumen spezialisiert. Energieverlust und Richtung der resultierenden Myonspur wird rekonstruiert. Diese Informationen werden verwendet um nach potentiellen Quellen astrophysikalischer Neutrino im Rahmen einer ungebinnten Likelihoodanalyse zu suchen. Daten die zwischen 2011 und 2015 mit IceCube genommen wurden werden für diese Analyse verwendet. Der Fokus liegt auf Neutrinos mit Energien zwischen ein paar TeV und 100 TeV. In diesem Energiebereich wird die Sensitivität für die Detektion einer Neutrinopunktquelle um einen Faktor zwei (oder besser) verbessert. Die Resultate für eine Liste von 96 Quellkandidaten und für eine offene Suche am gesamten Südhimmel werden präsentiert. Es wurde keine signifikante Abweichung von der Untergrundhypothese gefunden. Daraus resultieren Limitationen für Neutrinoemissionen. / There are accelerators in the universe that can accelerate charged particles (cosmic rays) to very high energies. Many questions regarding these accelerators are still open. Gamma rays and neutrinos are particles expected from sites of cosmic ray acceleration and can be used to study the environment and acceleration mechanisms of these sites. While sources for both galactic and extra-galactic gamma rays have been observed, it is often unclear whether these gamma rays are by-products of cosmic ray acceleration. This ambiguity does not exist for neutrinos. An astrophysical neutrino flux has been measured by the IceCube detector. Single sources have not been resolved yet. The part of the sky visible from the southern hemisphere hosts many galactic sources observed in GeV and TeV gamma-rays. Detection of neutrinos from these sources would identify them as acceleration sites and lead to a better understanding of the environment of the acceleration sites and the acceleration mechanisms. However, this is difficult due to the vast background of atmospheric muons also detected in the IceCube detector. For this thesis, a data selection was developed that reduces this background by using parts of the detector as veto. This selection focuses on the selection of muon-tracks from muon-neutrino interactions inside the detector volume. The direction and the energy-profile of these tracks can be reconstructed. This information is used to search for potential sources using an unbinned likelihood method. This analysis uses data taken between 2011 and 2015. In contrast to earlier IceCube analyses this analysis is optimized for energies between a few TeV and 100 TeV and improves the sensitivity of the detector for a point-like source by factor of two (or better) in this energy range. Results for a list of 96 sources observed in TeV gamma-rays and a sky-scan are presented. No significant overfluctuation has been observed and limits on the neutrino emission of the sources are given.

Das IceCube-Experiment sucht nach astrophysikalischen, hochenergetischen Neutrinos, von deren Entdeckung man sich Antworten auf die seit mehr als 100 Jahren offene Frage nach dem Ursprung der kosmischen Strahlung erhofft. Zu diesem Zweck wurde ein kubikkilometergroßes Volumen tief im Antarktischen Eisschild mit optischen Sensoren instrumentiert, um die in Neutrinowechselwirkungen entstandene Cherenkov-Strahlung nachzuweisen.Diese Dissertation beschreibt eine Suche nach neutrinoinduzierten Teilchenschauern in Daten, die von April 2008 bis Mai 2009 während der Konstruktionsphase von IceCube aufgezeichnet wurden. Zu dieser Zeit war etwa die Hälfte der endgültigen Detektoranordnung in Betrieb. Das Ziel der Arbeit war die Entdeckung astrophysikalischer Neutrinos mit der Maßgabe, gleichzeitig eine Sensitivität für Neutrinos terrestrischen Ursprungs aufrecht zu erhalten. Beide Sorten von Neutrinos müssen von einem vielfach größeren Untergrund von atmosphärischen Myonen isoliert werden. Die Suche nach Teilchenschauern im Detektor bietet sich hierfür an, da diese Signatur einer Neutrinowechselwirkung eine gute Energierekonstruktion ermöglicht und sich qualitativ von der Signatur des Myonuntergrunds unterscheidet. Eine robuste Abschätzung des Myonuntergrunds wurde mittels Luftschauersimulationen gewonnen. Methoden wurden entwickelt, um Neutrinos und Myonen voneinander zu unterscheiden. Zwei verschiedene Ereignisselektionen wurden erstellt. Die erste zielt mit einer Energieschwelle von 2 TeV auf die Messung atmosphärischer Neutrinos ab und fand einen geringen Überschuss an Ereignissen der quantitativ gut mit atmosphärischen Neutrinos erklärt werden kann, jedoch nicht signifikant genug ist, um einen rein myonischen Ursprung auszuschließen. Die zweite Selektion war mit einer Energieschwelle von 100 TeV für astrophysikalische Neutrinos optimiert. Der gefundene Überschuss ist kompatibel mit einer stringenteren Flussmessung, die mit dem fertiggestellten IceCube Detektor gelang. / The IceCube experiment aims at the detection of an astrophysical high-energy neutrino flux from which answers are expected regarding the long standing question of the origin of cosmic rays. To this end, a cubic-kilometer volume deep in the glacial ice has been instrumented with digital optical sensors in order to record Cherenkov light emitted by charged secondary particles that are generated in neutrino interactions. This dissertation presents a search for neutrino-induced particle showers, also called cascades, in data taken between April 2008 and May 2009 during IceCube’s construction phase, when about 50% of the final configuration was deployed and operational. The goal of this analysis is the detection of the astrophysical diffuse neutrino flux while maintaining sensitivity to neutrinos originating from the Earth’s atmosphere. Both neutrino fluxes must be separated from a much more abundant background of muons created in cosmic-ray-induced air showers. Good energy reconstruction and a signature in the detector that is qualitatively different from the muon background make cascade searches very well-suited for this task. A robust estimate of this background has been obtained from air-shower simulations. Techniques were developed to isolate the neutrino flux from the atmospheric muon background. Two event selections were prepared. Firstly, a low-energy sample with an energy threshold of about 2 TeV aimed at the detection of atmospheric neutrinos. A small excess above atmospheric muons was found that can be explained well by atmospheric neutrinos but is not significant enough to rule out a muon-only hypothesis. Secondly, a high-energy sample with an energy threshold of about 100 TeV targeted astrophysical neutrinos. A 2.7 sigma excess over the expectation from atmospheric muons and neutrinos was found. It is compatible with ­more stringent flux estimates obtained by measurements with the completed IceCube detector.

Zur Zeit wird das IceCube Neutrino-Teleskop am Südpol im Eis der Antarktis installiert, die Hälfte des Detektors ist bereits im Betrieb. Bei Fertigstellung im Jahr 2011 wird mehr als 1 km^3 Eis mit Photovervielfachern instrumentiert sein. IceCube bietet damit eine einzigartige Möglichkeit, die Quellen der kosmischen Strahlung mit Hilfe hochenergetischer Neutrinos zu finden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Sensitivität des kompletten Icecube Detektors für den Nachweis eines diffusen Flusses von Elektronneutrinos bestimmt. Ziel war es, die Eigenschaften des Detektors für Energien oberhalb von einem PeV zu bestimmen. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Simulation von elektromagnetischen Kaskaden gelegt, die in Neutrino-Nukleon-Wechselwirkungen auftreten. Da existierende Parametrisierungen die Unterdrückung der Wechselwirkungsquerschnitte durch den LPM-Effekt nicht beinhalten, wurde eine Simulation des Energieverlustes von elektromagnetischen Kaskaden für Energien oberhalb von 1 PeV entwickelt, die entsprechend modifizierte Wirkungsquerschnitte verwendet. Die Analyse, die in dieser Arbeit vorgestellt wird, nutzt die komplette Information des durch einen Photovervielfacher aufgezeichneten Ladungsverlaufes aus, die mit der Datennahme des IceCube Detektors zur Verfügung steht. Es werden neue Methoden entwickelt, um zwischen atmosphärischen Myonen-Hintergrund- und Signalereignissen von Kaskaden aus Neutrino-Nukleon-Wechselwirkungen zu unterscheiden. Die erreichbare Sensitivität innerhalb einer Laufzeit von einem Jahr ist 1.5*10^-8 E^-2 GeV/(cm^2 sr s) in einem Energiebereich von 16 TeV bis 13 PeV für den Nachweis von Elektronneutrinos eines diffusen Flusses. Eine Verbesserung von mindestens einer Größenordnung wird erwartet, wenn alle Neutrinofamilien in die Analyse einbezogen werden. Damit sollte eine Sensitivität erreicht werden, die auf dem gleichen Niveau einer diffusen Myonenanalyse liegt. / IceCube is a neutrino telescope currently under construction in the glacial ice at South Pole. At the moment half of the detector is installed, when completed it will instrument 1 km^3 of ice providing a unique experimental setup to detect high energy neutrinos from astrophysical sources. In this work the sensitivity of the complete IceCube detector for a diffuse electron-neutrino flux is analyzed, with a focus on energies above 1 PeV. Emphasis is put on the correct simulation of the energy deposit of electromagnetic cascades from charged-current electron-neutrino interactions. Since existing parameterizations lack the description of suppression effects at high energies, a simulation of the energy deposit of electromagnetic cascades with energies above 1 PeV is developed, including cross sections which account for the LPM suppression of bremsstrahlung and pair creation. An attempt is made to reconstruct the direction of these elongated showers. The analysis presented here makes use of the full charge waveform recorded with the data acquisition system of the IceCube detector. It introduces new methods to discriminate efficiently between the background of atmospheric muons, including muon bundles, and cascade signal events from electron-neutrino interactions. Within one year of operation of the complete detector a sensitivity of 1.5*10^-8 E^-2 GeV/(cm^2 sr s) is reached, which is valid for a diffuse electron-neutrino flux in the energy range from 16 TeV to 13 PeV. Including all neutrino flavors in this analysis, an improvement of at least one order of magnitude is expected, reaching the anticipated performance of a diffuse muon analysis.

Aktive galaktische Kerne (AGN) gehören zu den besten Quellkandidaten der hochenergetischen kosmischen Strahlung. Es wird erwartet, dass hochenergetische Neutrinos durch Interaktion der kosmischen Strahlung mit Materie oder Photonfeldern in der Nähe der Quellen erzeugt werden. Der resultierende Neutrinofluss kann dieselbe Zeitvariabilität aufweisen wie elektromagnetische Strahlung die von diesen Quellen emittiert wird. Diese Zeitvariabiltät kann in Neutrinoanalysen zusätzlich zu Energie-und Ortsinformationen benutzt werden, um die Detektionswahrscheinlichkeit zu erhöhen. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei neue Methoden entwickelt, welche benutzt werden um nach Neutrino-flares in Aktiven Galaktischen Kernen zu suchen: Die Multi-flare und Multi-flare-Stacking-Methode. Die Multi-flare-Methode ist so entworfen, dass sie nicht nur sensitiv auf einen hellen Flare ist, sondern auch auf weitere schwächere Flares welche normalerweise individuell nicht detektiert werden können. Die Multi-Flare-Methode benötigt keine Zeitkoinzidenz mit Ausbrüchen im elektromagnetischen Spektrum. Sie ist auch sensitiv auf unkorrelierter Neutrinoemission mit unterschiedlicher Dauer der einzelnen Flares, was in einigen Emissionsmodellen vorkommt. Die Multi-Flare-Stacking-Methode ist eine Erweiterung der Multi-Flare-Methode auf zusätzliche Quellen. In ihr werden mehrere schwache, variable Quellen, welche individuell zu schwach sein können um detektiert zu werden, zusammen mit der Stackingmethode analysiert. Die beiden Analysemethoden werden auf eine vorselektierte Liste von Aktiven Galaktischen Kernen angewandt. Hierfür werden drei Jahre Daten des IceCube Neutrinoteleskops verwendet (Mai 2009-June-2012). Kein statistisch signfikanter Neutrinoflare wurde gefunden und obere Fluenzgrenzen f ̈ur jede der Quellen werden ausgerechnet. Diese Grenzen sind im Durchschnitt um einen Faktor zwei besser als vorherige Obergrenzen von Analysen einzelner Flares. / Active Galactic Nuclei are among the best candidate sources for high-energy cosmic rays. High-energy neutrinos are expected to be produced in these sources via interactions of cosmic rays with matter or photon fields present in the source vicinity. The resulting neutrino flux may exhibit time variability on the same time scales than the ones observed in the electromagnetic radiation that is emitted from these sources. Time variability can be taken into account in high-energy neutrino searches in order to increase their detection probability with respect to search methods that include only energy and spatial information. In this work, two new methods are developed to look for high-energy neutrino flares emitted from Active Galactic Nuclei: the Multi-flare and Multi-flare stacking method. The Multi-flare method is designed to be sensitive not only to one bright flare emitted from a single source, as considered in other existing search methods, but also to several weak flares that might not be detected individually. This is achieved by developing a likelihood stacking approach that analyzes the cumulative neutrino emission from several flares. This method does not assume a-priori time coincidences with photon flares observed in the electromagnetic spectrum, allowing uncorrelated neutrino emission with different flare durations as considered in some emission models. The Multi-flare stacking method is an extension of the Multi-flare method to include several sources that might be too weak for individual detection. The two search methods are applied to a pre-selected list of Active Galactic Nuclei using data of the IceCube Neutrino Observatory (May-2009 to May 2012). No statistically significant neutrino flares are detected and fluence upper limits are calculated for each selected source. These limits are on average a factor of two better than previous upper limits from single-flare searches.

Neutrinooszillation, ein Phänomen, das den Neutrino-Flavour nach ihrer Ausbreitung durch den Weltraum verändern kann, ist ein Beweis für nicht-verschwindende Neutrinomassen und ein Hinweis auf eine neue Physik außerhalb des Standardmodells. Diese Arbeit präsentiert die erste Messung zu atmosphärischen Neutrinooszillationen, die sechs Jahre zwischen Mai 2011 und Mai 2017 des IceCube DeepCore Experiment umfasst. Sie erweitert die bisher verfügbare Ereignisauswahl um eine neue Ereignissignatur und einen großeren Energiebereich. Diese Arbeit beschreibt die Methoden, die für die Simulationen der Wechselwirkungen der Neutrinos, die Ereignisauswahl, die Rekonstruktion und die statistische Behandlung von Messdaten und systematischen Messunsicherheiten benutzt werden. Die beste Abschätzung für die Neutrino-Mischungsparameter ist $\Delta m^2_{32} = 2.54^{+0.11}_{-0.12}\cdot 10^{-3}$~eV$^2$ und $\sin^2 \theta_{23} = 0.51\pm0.05$ (68\% C.L.) und gehört zurzeit zu den präzisesten Messungen atmosphärischer Neutrinos. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit das Standard-Drei-Flavour-Modell überprüft, indem ein steriles Neutrino mit einer Masse in der Größenordnung von 1 eV eingeführt wird. Die Suche nach Effekten steriler Neutrinos auf atmosphärischen Neutrinooszillationen wird auf drei Jahren Daten, genommen zwischen Mai 2011 und Mai 2014, durchgeführt. Die Ergebnisse stimmen mit dem Standard-Modell der Drei-Neutrino-Oszillation überein, was zu den Obergrenzen für sterilen Neutrino-Mischungsparameter $|U_{\mu4}|^2<0.11$ und $|U_{\tau4}|^2<0.15$ (90\% C.L.) für $\Delta m^2_{41}=1$~eV$^2$ führt. Dieser Ergebnis ist derzeit die stringenste Obergrenze für $|U_{\tau4}|^2$. / Neutrino oscillations, a phenomenon that can change the flavour of neutrinos after their propagation through space, are a proof of non-zero neutrino masses and are an indication of new physics beyond the Standard Model. This work presents the first measurement of the atmospheric neutrino oscillations using six years of IceCube DeepCore data taken between May 2011 and May 2017. It extends the previously available event selection to include new event signatures and to use an extended energy range. This work discusses the techniques used for simulation of neutrino interactions, event selection, reconstruction, and the statistical treatment of data and systematic uncertainties. The best estimates for the neutrino mixing parameters are $\Delta m^2_{32} = 2.54^{+0.11}_{-0.12}\cdot 10^{-3}$~eV$^2$ and $\sin^2 \theta_{23} = 0.51\pm0.05$ (68\% C.L.), which are currently among the most precise measurements obtained with atmospheric neutrinos. In addition, this work tests the standard three-flavour paradigm by introducing one sterile neutrino with a mass on the order of 1~eV. The search for sterile neutrino effects in atmospheric neutrino oscillations is performed with three years of data taken between May 2011 and May 2014. The results are consistent with the standard three-neutrino oscillation picture, leading to limits on the allowed sterile neutrino mixing of $|U_{\mu4}|^2<0.11$ and $|U_{\tau4}|^2<0.15$ (90\% C.L.) for $\Delta m^2_{41}=1$~eV$^2$. Currently, the limit for $|U_{\tau4}|^2$ is the most stringent in the World.

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.

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.