IceTop ist ein Detektorfeld fuer kosmische Strahlung, das momentan am Suedpol errichtet wird. Es ist Teil des IceCube-Observatoriums und wird nach Fertigstellung eine Flaeche von 1km^2 ueberspannen. Es zielt auf den Nachweis von Teilchenkaskaden ab, die von kosmischer Strahlung mit Energien im PeV-Bereich induziert werden. Die Dissertation beinhaltet die erste Analyse hochenergetischer kosmischer Strahlung mit IceTop. Zunaechst wird hierfuer die Lichtausbeute der Detektortanks untersucht. Dies ermoeglicht die Erstellung einer Erwartungswertverteilung der Schauersignale, und eines entsprechenden Likelihood-Rekonstruktionsalgorithmus. Die damit erreichten Aufloesungen werden untersucht und Effizienzen berechnet. Anschliessend wird das Ansprechverhaltenn von IceTop im Bezug auf die Energie genauer evaluiert. Aus den Ergebnissen werden Faltungsmatrizen fuer unterschiedliche Primaerteilchensorten extrahiert. Darauf basierend werden zwei Entfaltungsalgorithmen vorgestellt, und vier Faltungsmatrizen fuer verschiedene Kompositionsannahmen berechnet. Im August 2007 genommene Daten werden in drei Zenithwinkel-Abschnitte eingeteilt und separat mit den Kompositionsmodellen entfaltet. Die resultierenden Spektren decken einen Energiebereich von 1-80PeV ab. Mit der Forderung isotropen Flusses lassen sich Wahrscheinlichkeiten definieren, die sensitiv sind auf die Konsistenz der Kompositionsannahmen. Diese neue Methode ermoeglicht eine Untersuchung der Komposition ohne Zuhilfenahme weiterer Detektorkomponenten. Die Analyse zeigt eine klare Praeferenz der Modelle gemischter Komposition. Schliesslich wird das Spektrum mit der hoechsten relativen Wahrscheinlichkeit untersucht. Die gemessenen Parameter stimmen innerhalb der systematischen Fehler gut mit denen anderer Experimente ueberein. Die ermittelte Position des sogenannten Knies des Spektrums ist 3,1+-0,3(stat.)+-0,3(sys.)PeV, die Exponenten davor und danach sind -2,71+-0,07(stat.) und -3,110+-0,014(stat.)+-0,08(sys.). / IceTop is a square-kilometer scale detector array for highly energetic cosmic radiation. It is a part of the IceCube Observatory that is presently being built at the geographic South Pole. It aims for the detection of huge particle cascades induced by PeV cosmic rays in the atmosphere. This thesis presents the first analysis of highly energetic cosmic ray data taken with IceTop. First, the light response of the IceTop tanks is parametrised as a function of energy and particle type. An expectation function for the distribution of shower signals in the detector plane is developed. Based on that, a likelihood reconstruction algorithm is developed and its resolution and performance is studied. The resulting energy response of the array is investigated to set up response matrices for different primary nuclei and inclinations. Two unfolding algorithms are implemented, and response matrices are modeled for four different composition assumptions. With each assumption, energy spectra are unfolded for three different bins in inclination, using a data sample taken in August 2007. The range of the spectrum is 1-80PeV. Finally, a new analysis method is developed that uses the fact that cosmic rays in the PeV range are expected to be isotropic. It is shown that this requirement can be used for a likelihood estimation that is sensitive to composition without using additional information from other detector components. The analysis shows a clear preference of the mixed composition models over pure proton or iron assumption. The spectrum with the highest likelihood shows good agreement with results from other experiments within the systematic uncertainties. The found position of the so-called knee feature is 3.1+-0.3(stat.)+-0.3(sys.)PeV, the power indices before and after that are -2.71+-0.07(stat.) and -3.110+-0.014(stat.)+-0.08 (sys.).

Die Suche nach Neutrino-Punktquellen bietet eine Möglichkeit, astrophysikalische Teilchenbeschleuniger als Quellen der Kosmischen Strahlung zu identifizieren. Eine etablierte Methode in der Neutrinoastronomie ist die Messung der Tscherenkow-Strahlung induzierter Myonen in unterirdischen Detektoren. Die hier vorgestellte Analyse basiert auf Daten, die zwischen 2007 und 2008 mit IceCube, dem größten Neutrinoteleskop dieser Art, gesammelt wurden. Bisherige Neutrino-Punktquellensuchen waren auf eine Hemisphäre beschränkt gewesen, da nur aufwärts laufende Ereignisse betrachtet wurden, um den atmosphärischen Myon-Untergrund zu eliminieren. Hier wird gezeigt, dass der Bereich über dem Horizont durch eine energieabhängige Selektion miteinbezogen werden kann. Dies erhöht die Sensitivität für Energien oberhalb einiger PeV, die bisher aufgrund von Neutrinoabsorption unterhalb des Horizonts vollkommen unzugänglich waren. Zum Nachweis richtungsabhängiger Neutrinosignale wurde eine Musterung beider Himmelshälften durchgeführt. Modellvorhersagen für Aktive Galaktische Kerne dienten als Grundlage für separate Tests anhand einer Liste von Quellkandidaten und mittels einer zeitabhängigen Suche nach kurzen Neutrinoemissionen vom Blazar 3C279. Es konnten keine signifikanten Ereignisüberschüsse über dem Untergrund beobachtet werden. Daraus leiten sich die ersten oberen Neutrino-Flussgrenzen für Punktquellen am Südhimmel bei Energien bis in den EeV Bereich ab. Für bestimmte Quellkandidaten sind es die besten Einschränkungen für Neutrinovorhersagen bei PeV Energien. Mit den gleichen Ereignissen wurde eine Suche nach Korrelationen zwischen Neutrinos und den höchstenergetischen geladenen Teilchen der Kosmischen Strahlung durchgeführt. Die Ursprungsrichtungen von Luftschauern, veröffentlicht durch das HiRes Experiment und das Pierre Auger Observatorium, dienten zur Bestimmung solcher Koinzidenzen. Das Ergebnis ist im Einklang mit den Untergrunderwartungen. / Searching for point-like neutrino signals provides a chance of identifying astrophysical particle accelerators as sources of cosmic rays. An established approach to realise high energy neutrino astronomy is the observation of Cherenkov radiation from induced muon tracks in subsurface detectors. Presented here is an analysis based on data taken between 2007 and 2008 with IceCube, the largest of these neutrino telescopes. Neutrino point source searches had been so far restricted to one hemisphere, due to the exclusive selection of upward going events as a way of rejecting the atmospheric muon background. This work demonstrates that the region above the horizon can be included by suppressing the background through an energy-sensitive event selection. The approach improves the sensitivity above PeV energies, previously not accessible at all due to absorption of neutrinos from below the horizon. Both celestial hemispheres were scanned to identify neutrino fluxes from individual directions. Based on model predictions for Active Galactic Nuclei, separate tests were performed by compiling a list of specific neutrino source candidates and by searching for short neutrino flares from the blazar 3C279. No significant excesses above the atmospheric background were found. The resulting upper limits on neutrino fluxes are the first that cover point sources in the southern sky up to the EeV energy range. For certain source candidates, these limits provide the best constraints on models predicting neutrinos above PeV energies. Based on the same event sample, a search for correlations between neutrinos and the most energetic charged cosmic rays was performed. The arrival directions of air showers, reported by the HiRes experiment and the Pierre Auger Observatory, were used to determine such coincidences. The result of this study is compatible with the background hypothesis.

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.

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

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.

Diese Arbeit beschreibt die Suche nach hochenergetischen kosmischen Neutrinos mit dem AMANDA-B10 Detektor. Das Antarctic Muon and Neutrinos Detection Array - AMANDA - ist ein Experiment zum Nachweis hochenergetischer Neutrinos. Es besteht aus einem Gitter optischer Detektoren, die in den antarktischen Gletscher eingeschmolzen wurden. Hochenergetische Myonneutrinos können anhand aufwärts laufender Myonspuren identifiziert werden. Nur Neutrinos reagieren ausschließlich durch die schwache Wechselwirkung, was sie zur einzigen Teilchensorte macht, die die ganze Erde durchlaufen kann. Aufwärtslaufende Spuren sind daher eine klare Signatur für neutrinoinduzierte Ereignisse. Die Richtung der Myonen kann anhand des abgestrahlten Cherenkovlichtes rekonstruiert werden. Für Neutrinoenergien oberhalb einiger hundert GeV behält das Myon die Richtung des Neutrinos im wesentlichen bei. Aus der Richtung des Myons kann daher auf die Richtung des Neutrinos geschlossen werden. Das erlaubt die Identifikation von Quellen. Die häufigste Klasse von Untergrundereignissen sind abwärtslaufende Spuren von Myonen, die durch kosmische Strahlen in der Erdatmosphäre erzeugt werden. Damit ist der wichtigste Selektionsparameter der rekonstruierte Zenithwinkel. Ein weitere Klasse von Untergrundereignissen für die Beobachtung kosmische Neutrinos sind aufwärtslaufende Myonspuren von sogenannten atmosphärischen Neutrinos. Das sind Neutrinos, die von der kosmischen Strahlung in der Atmosphäre der Nordhalbkugel erzeugt werden, die Erde durchlaufen und als aufwärtslaufende Spuren die gleiche Signatur haben wie kosmische Neutrinos. Im Falle von Punktquellen ist die Identifikation kosmischer Neutrinos über die Häufung von Neutrinos aus einer bestimmten Richtung möglich. Eine weitere Möglichkeit, kosmische Neutrinos von atmosphärischen Neutrinos zu unterscheiden, ist die Energieverteilung: atmosphärische Neutrinos haben ein Energiespektrum mit einem spektralen Index von ungefähr -3.7, während für kosmische Neutrinos ein Spektrum mit einem spektralen Index von -2 erwartet wird. Die Signatur kosmischer Neutrinos ist daher ein Überschuß von hochenergetischen Ereignissen. Zur Selektion dieser Ereignisse ist ein Energieparameter notwendig. Das Thema dieser Arbeit ist die Suche nach einem diffusen Fluß hochenergetischer kosmischer Neutrinos, als die Überlagerung der Flüsse von vielen, für sich genommen nicht nachweisbaren Quellen. Zum Nachweis der Funktionsfähigkeit des Detektors wurde zuerst die Separation von atmosphärischen Neutrinos mitentwickelt. Die erhaltenen Kandidaten wurden auf einen Überschuß hochenergetischer Neutrinos untersucht. Dazu wurde die Methode zur Energierekonstruktion, die für den Baikal-Detektor entwickelt wurde, an die optischen Eigenschaften von Eis angepaßt. Eine Analyse der Fehlerbeiträge ergab jedoch, daß stochastische Fluktuationen der Energie- und damit Lichtdeposition die Energieauflösung begrenzen. Die Suche nach alternativen energieabhängigen Selektionsparametern ergab die Anzahl der getroffen Kanäle als effektiven Selektionsparameter für hochenergetische Ereignisse. Mit diesem Parameter konnte die Sensitivität des Detektors für hochenergetische Ereignisse abgeschätzt werden. Eine detaillierte Analyse ergab jedoch systematische Abweichungen zwischen Daten und Monte Carlo. Als Konsequenz wurde ein separater Filter für hochenergetische Ereignisse entwickelt. Mit Separationsschnitten auf nur fünf Parameter konnten die Daten auf weniger als ein Prozent reduziert werden. Die abschließenden Schnitte wurden mit einem Optimierungsprogramm entwickelt. Zur Optimierung der Sensitivität wurde eine Vielfalt von Parametern verglichen. Ein Satz besonders hochenergetischer Ereignisse konnte selektiert werden. Die Zahl und Verteilung der Ereignisse ist konsistent mit der Erwartung für atmosphärische Neutrinoereignisse. Ein Überschuß von Ereignissen hoher Energie wurde nicht beobachtet. Nach einem letzten Schnitt auf die Anzahl der getroffenen Kanäle als Energieparameter ließ sich daher eine obere Grenze für den Fluß hochenergetischer kosmischer Neutrinos ableiten. Unter der generischen Annahme eines E_nu^-2-Spektrums ergibt sich eine Grenze für Energien zwischen 5 * 10^3 GeV und 1 * 10^6 GeV von E^2 * (d Phi_(nu + nubar) / dE_nu )_(90% C.L.) / High energy neutrinos are a possible probe for cosmic acceleration mechanisms. Using data taken with the AMANDA-B10 detector in 1997 an upper limit of E^2 (d Phi / dE) < 1.0 * 10^-6 cm^-2 s^-1 sr^-1 GeV on the flux of cosmic neutrinos with energies between 5 TeV and 1 PeV was obtained.

Der Ursprung ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung (UHECRs) ist eine der wichtigsten offenen Fragen der Astrophysik. Gammastrahlenblitze (GRBs) galten als potentielle Quellen, da sie zu den energetischsten Ereignissen im Universum zählen. Konventionelle Szenarien sind jedoch durch Neutrinodaten stark eingeschränkt. Außerdem weisen Messungen der chemischen Zusammensetzung kosmischer Strahlen auf schwere Kerne hin, welche in zu dichten Strahlungsfeldern disintegrieren würden. Um dieses Dilemma zu umgehen deuten neue Studien auf versteckte Beschleuniger hin, welche schwer zu detektieren sind. In dieser Dissertation präsentieren wir neue Ansätze um nukleare Prozesse in astrophysikalischen Quellen effizient und selbstkonsistent zu berechnen. Wir quantifizieren diese Wechselwirkungen anhand der nuklearen Kaskade, welche die Disintegration schwerer Kerne in leichtere Fragmente beschreibt. Auch in umfassenden Modellen, wie sie in dieser Arbeit entwickelt werden, sind GRBs durch Neutrinodaten unter Druck. Dennoch zeigen wir, dass eine Population von GRBs niedriger Luminosität konsistent mit derzeitigen Messungen ist und zugleich auch das Spektrum und die Zusammensetzung kosmischer Strahlung über den Knöchel hinweg sowie Neutrinodaten beschreiben kann. Aus unserer Prozedur können wir zusätzlich weitere Quelleneigenschaften wie die baryonische Ladung oder die Ereignisrate bestimmen. Wir zeigen weiter, dass auch von schwarzen Löchern zerrissene Sterne mögliche Kandidaten eines gemeinsamen Ursprungs der gemessenen kosmischen Strahlung und PeV-Neutrinos sind. Sie können jedoch durch kosmogenische Neutrinos von LLGRBs abgegrenzt werden. Schließlich wenden wir unser Modell auf das Gravitationswellenereignis GW170817 an. Wir zeigen für verschiedene Jet-Szenarien, dass der erwartete Neutrinofluss weit unter der Sensitivität derzeitiger Instrumente liegt. Dennoch könnten verschmelzende Neutronensterne die kosmische Strahlung unterhalb des Knöchels erklären. / The origin of Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECRs) is still one of the most important open questions in astrophysics. Gamma-Ray Bursts (GRBs) were considered as potential sources as they are among the most energetic events known in the Universe. However, conventional GRB scenarios are strongly constrained by astrophysical neutrino data. In addition, cosmic ray composition measurements indicate the presence of heavy nuclei, which would disintegrate if the radiation fields in the source were too dense. In order to circumvent this dilemma, recent studies point towards hidden accelerators, which are intrinsically hard to detect. In this dissertation, we present novel approaches to efficiently and self-consistently calculate the nuclear processes in astrophysical sources. We quantify these interactions by means of the nuclear cascade, which describes the subsequent disintegration of heavy nuclei into lighter fragments. Even in sophisticated source-propagation models, as the ones developed in this thesis, conventional GRBs are in tension with neutrino data. However, we demonstrate that a population of low-luminosity GRBs is not only consistent with current constraints, but can even describe the UHECR spectrum and composition across the ankle as well as neutrino data simultaneously. From our fitting procedure we can further constrain certain source properties, such as the baryonic loading and the event rate. Furthermore, we show that stars disrupted by black holes are viable candidates for a simultaneous description of cosmic ray and PeV neutrino data too. However, they can be discriminated from LLGRBs by cosmogenic neutrinos. Finally, we apply our model to GW170817. We show for different jet scenarios that the expected neutrino flux is orders of magnitude below the sensitivity of current instruments. Nevertheless, binary neutron star mergers could in principle support cosmic rays below the ankle.

Der Ursprung ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung (UHECRs) ist immer noch unbekannt. Neutrinoteleskope wie IceCube messen einen Fluss hochenergetischer astrophysikalischer Neutrinos, dessen erwarteter Ursprung Wechselwirkungen kosmischer Strahlung (CR) ist. Jedoch scheinen die Ankunftsrichtungen der beobachteten Neutrinos nicht signifikant mit den Koordinaten bekannter, hochenergetischer astrophysikalischer Quellen zu korrelieren. Wir tragen zum Verständnis dieses Problems durch die Untersuchung von Blazaren, eine Klasse aktiver Galaxienkerne, bei. Motiviert durch Hinweise, dass ein Teil der UHECRs schwerer als Protonen ist, modellieren wir die Wechselwirkungen einer Population beschleunigter Kerne mit den umgebenden Photonfelder in Blazaren. Wir folgern, dass in Blazaren niedriger Luminosität beschleunigte CRs nicht effizient wechselwirken. In hellen Blazaren sind photo-hadronische Wechselwirkungen effizient, was zu starker Neutrinoproduktion und zur Entwicklung einer nuklearen Kaskade führt. Wir berechnen die Neutrinoemission der gesamten Verteilung von Blazaren, und folgern, dass eine Population niedriger Luminosität, die derzeit nicht beobachtet, aber theoretisch erwartet wird, den gesamten IceCube-Fluss bei den höchsten Energien erklären kann. Weiterhin modellieren wir den Blazar TXS 0506+056, aus dessen Richtung ein Neutrino während einer Phase erhöhter elektromagnetischer Aktivität detektiert wurde. Wir testen die Hypothese, dass ein Signal von 13+/-5 Neutrinos, die in IceCube aus der selben Richtung im Jahr 2014-15 gemessen wurden, von der selben Quelle stammt. Unser Modell kann höchstens 5 Ereignisse erklären. Schließlich untersuchen wir das erste beobachte Ereignis verschmelzender Neutronensterne, GW170817, als CR-Beschleuniger. Wir modellieren die Quelle und zeigen, dass Radio- und Röntgenmessungen strikte Beschränkungen der magnetischen Feldstärke nach sich ziehen. Wir zeigen, dass diese Quelle in der Lage ist, CRs zu emittieren. / The origin of ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) is still unclear. Neutrino telescopes like IceCube have observed a flux of high-energy cosmic neutrinos, expected to originate in cosmic ray (CR) interactions. However, their arrival directions do not statistically correlate with the positions of known high-energy astrophysical sources. In this thesis we explore blazars, a class of active galaxies, as potential UHECR accelerators. Motivated by evidence that a fraction of the UHECRs are heavier than protons, we model the interactions of CR nuclei with the photon fields present in blazars, in order to estimate the emitted neutrino and UHECR spectrum. We conclude that in dim blazars, accelerated CRs do not interact efficiently due to the low photon density, but instead escape the source unscathed. In bright blazars, photo-hadronic interactions are more efficient, leading to abundant production of neutrinos and lighter nuclei. We use this model to quantify the neutrino emission from the entire cosmological blazar population. We conclude that low-luminosity blazars currently unobserved but expected theoretically, can explain the entire IceCube flux at the highest energies. We then focus on blazar TXS 0506+056, from whose direction a neutrino was recently detected during an electromagnetic flaring state. We test the hypothesis that a signal of 13+/-5 neutrinos observed by IceCube from the same direction in 2014-15 may have originated in the same source. Given the constraints from multi-wavelength observations, this model can explain at most 5 neutrino events. Finally, we study the remnant of the first neutron star merger ever observed, object GW170817. We model the particle interactions in the source and show that multi-wavelength observations can provide a constraint on the magnetic field strength. We estimate that this source may be an efficient CR emitter, which shows the importance of future multi-messenger observations to better constrain this source type.

Utrahochenergetische kosmische Strahlung (ultra-high-energy cosmic rays -- UHECR) besteht aus ionisierten Atomkernen mit den höchsten Teilchenergien, die je gemessen wurden. Zwar wurden die Quellen von UHECRs noch nicht eindeutig identifiziert, doch gibt es deutliche Anzeichen, dass sie extragalaktisch sind. Um die Beobachtungen zu interpretieren, wird ein Modell der Wechselwirkungen mit Photofeldern sowohl in der Quelle als auch während der extragalaktischen Propagation benötigt. Bei diesen Wechselwirkungen werden sekundäre Neutrinos erzeugt. Diese Dissertation behandelt Modelle der Quellen von UHECRs und die damit verbundene Produktion von Neutrinos sowohl in den Quellen als auch während der Propagation. Dafür wurde ein neuer Code, PriNCe, für die Propagation von UHECRs entwickelt. Dieser Code wird in einem umfangreichen Parameterscan für ein generisches Quellenmodell angewendet, welches mit dem Spektralindex, der maximalen Rigidität, der kosmologischen Quellenverteilung und der chemischen Komposition als freie Parameter definiert ist. Dabei wird der Einfluss von verschiedenen Photodisintegrations- und Luftschauermodellen auf die erwarteten Eigenschaften der Quellen demonstriert. Der Fluss kosmogenischer Neutrinos, der sich daraus robust vorhersagen lässt, liegt außerhalb der Reichweite aller derzeit geplanten Neutrinodetektoren. GRBs als mögliche Quellen von UHECRs werden im Multi-Collision Internal-Shock Modell simuliert, welches die Abhängigkeit der Strahlungsprozesse von den verschiedenen Dissipationsradien im Plasmajet berücksichtigt. Für dieses Modell wird der Effekt demonstriert, den verschiedene Annahmen über die anfängliche Verteilung des Plasmajets und das hydrodynamische Modell auf die resultierende UHECR- und Neutrinosstrahlung haben. Für den Gammastrahlenblitz GRB170817A, welcher zusammen mit einem Gravitationswellensignal beobachtet wurde, werden Vorhersagen für den Neutrinofluss und ihre Abhängigkeit vom Beobachtungswinkel gemacht. / Ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) are the most energetic particles observed in the Universe. While the astrophysical sources of UHECRs have not yet been uniquely identified, there are strong indications for an extragalactic origin. The interpretation of the observations requires both simulations of UHECR acceleration and energy losses inside the source environment as well as interactions during extragalactic propagation. Due to their extreme energies, UHECR will interact with photons in these environments, producing a flux of secondary neutrinos. This dissertation deals with models of UHECR sources and the accompanying neutrino production in the source environment and during extragalactic propagation. We have developed a new, computationally efficient code, PriNCe, for the extragalactic propagation of UHECR nuclei. The PriNCe code is applied for an extensive parameter scan of a generic source model that is described by the spectral index, the maximal rigidity, the cosmological source evolution and the injected mass composition. In this scan, we demonstrate the impact of different disintegration and air-shower models on the inferred source properties. A prediction for the expected flux of cosmogenic neutrinos is also derived. GRBs are discussed as specific UHECR source candidates in the multi-collision internal-shock model. This model takes the radiation from different radii in the GRB outflow into account. We demonstrate how different assumptions about the initial setup of the jet and the hydrodynamic collision model impact the production of UHECRs and neutrinos. Motivated by the multi-messenger observation of GRB170817A, we discuss the expected neutrino production from this GRB and its dependence on the observation angle. We show that the neutrino flux for this event is at least four orders of magnitude below the detection limit for different geometries of the plasma jet.