The standard model of particle physics cannot currently explain the origin of neutrino masses and anomalies that have been observed at different experiments. One solution for this is to introduce a beyond the standard model origin for these issues, which introduces a coupling between neutrinos and dark matter. Such an interaction would have implications on cosmology and would be constrained by astrophysical neutrino sources. A promising astrophysical source to probe this interaction is core-collapse supernovae as they release ~3x10^53 erg in neutrinos for each transient. However, more observations that constrain the internal physics of core-collapse supernovae are needed in order to better understand their neutrino emission. This dissertation studies two probes of internal physics that allow for a better understanding of the neutrino emission from core-collapse supernovae. The first is a novel approach to try and detect more supernova neutrinos that do not come from galactic events nor from the diffuse supernova background. This is accomplished by doing an offline timing coincidence search at neutrino detectors with a search window determined by optical observations of core-collapse supernovae. With a two-tank Hyper-Kamiokande, this allows for ~1 neutrino detection every 10 years with a confidence level of ~2.6 sigma, resulting from low nearby core-collapse rates and large background rates in the energy range of interest. The second probe of internal physics is high energy gamma-rays from the decays of unstable nuclei in proto-magnetar jets. The abundance distribution of the unstable nuclei depends directly on the neutrino emission, which controls the electron fraction, as well as properties of the proto-magnetar. We find that different proto-magnetar properties produce gamma-ray signals that are distinguishable from each other, and multiple types of observations allow for estimations of the jet and proto-magnetar properties. These gamma-ray signals are detectable for on-axis jets out to extragalactic distances, ~35 Mpc in the best case, and for off-axis jets the signal is only detectable for galactic or local galaxies depending upon the viewing angle. This dissertation also studies a phenomenological constraint on the interactions between neutrinos and dark matter. Using the neutrino emission from supernovae and the inferred dark matter distributions in Milky Way dwarf spheroidals, we constrain the amount of energy the neutrinos can inject into the dark matter sub-halos. This then allows a constraint on the interaction cross-section between neutrinos and dark matter with assumptions about the interaction kinematics. Assuming Lambda-CDM to be correct, the neutrinos cannot interact with low mass dark matter too often as it will become gravitationally unbound, changing the mass of the core we see today. For high mass dark matter, neutrinos can only inject a fraction of ~6.8x10^-6 of their energy in order to not conflict with estimates of the current shapes of the dark matter sub-halos. The constraints we obtain are sigma_nu-DM(E_nu=15 MeV, m_DM>130 GeV) ~ 3.4x10^-23 cm^2 and sigma_nu-DM(E_nu=15 MeV, m_DM <130 GeV) ~ 3.2x10^-27} (m_DM/1 GeV)^2 cm^2, which is slightly stronger than previous bounds for these energies. Consideration of baryonic feedback or host galaxy effects on the dark matter profile can strengthen this constraint. / Doctor of Philosophy / In our current understanding of the physics of the particles that govern how the universe behaves, there is no way to explain the properties we observe for the neutrino. Neutrinos were originally theorized to have zero mass, however neutrino experiments suggests otherwise. The current model of particle physics cannot explain how the neutrinos have mass, therefore an viable way to explain it is to introduce new physics that can generate the neutrino masses. A way to do this is to allow the neutrinos to interact with dark matter, which is matter that does not interact with light and is therefore invisible to the human eye. We know dark matter should exist in the universe due to the gravitational effects it has, making things like galaxies much heavier than what the stars and gas we see can explain. If neutrinos and dark matter interact, we should be able to see the effects of these interactions in the universe, and also possibly at locations where many neutrinos are produced. One such source of neutrinos in the universe are core-collapse supernovae, which are the deaths of massive stars and produce copious amounts of neutrinos. This dissertation studies signals that allow us to better understand the neutrino emission from core-collapse supernovae. One of these signals comes from summing the neutrinos we detect from many distant core-collapse supernovae. This technique uses the optical observations of the supernovae to give us a time window around which we can go through neutrino detector data to find if there are any neutrino detections that cannot be explained as coming from background events. Another method is to observe gamma-rays, high energy photons, that come from the radioactive decay of elements in jets moving near the speed of light powered by rare core-collapse supernovae. The specific gamma-rays and the overall brightness of them allows for an estimation of the properties of the neutrino emission and properties of the central engine that accelerates the jet to near the speed of light. This dissertation also studies the implications of a possible interactions in small and dim satellite galaxies of the Milky Way known as dwarf spheroidals. The shape of the dark matter that is distributed in these dwarf spheroidals can be inferred from the motion of the stars in that dwarf spheroidal, and this shape disagrees with the prevailing theory of dark matter in the universe. We take advantage of this disagreement to place an upper limit on both the mass loss that can occur in this region and the energy that past core-collapse supernovae within the dwarf spheroidals can inject into the dark matter. The mass loss bound lets us place a constraint on how often neutrinos can interact with light dark matter particles. The energy injection limit and an assumption on the energy transfer in each interaction between dark matter and neutrinos allows us to constrain how often the interaction can occur for heavy dark matter particles.

Das IceCube Neutrino Observatory, das größte Neutrino-Observatorium der Welt, entdeckte 2013 erstmals einen Fluss hochenergetischer Neutrinos. Diese Neutrinos müssen von astrophysikalischen Beschleunigern erzeugt werden, aber ihr genauer Ursprung ist bisher unbekannt. Vorgeschlagene Neutrinoquellen sind Gezeitenkatastrophen (Tidal Disruption Events, TDEs), Ereignisse bei denen Sterne zerfallen, wenn sie supermassiven Schwarzen Löchern zu nahe kommen. In dieser Doktorarbeit wurde erstmals nach Korrelationen zwischen Neutrinos und TDEs gesucht, wobei eine Zusammenstellung veröffentlichter TDEs und ein IceCube-Datensatz von einer Million Myon-Neutrinos mit GeV-PeV-Energien von verwendet wurde. Es wurde keine signifikante Korrelation gefunden, sodass der Beitrag von TDEs ohne relativistische Jets auf 0-38,0% des gesamten astrophysikalischen Neutrinoflusses begrenzt werden kann. Der Beitrag von TDEs mit relativistischen Jets wurde auf 0-3,0% des Gesamtflusses begrenzt. IceCube veröffentlicht auch hochenergetische (>100 TeV) Myon-Neutrino-Ereignisse in Form von automatischen, öffentlichen Echtzeit-‘Neutrinoalerts’. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Lokalisierung von 22 solcher Neutrinoalerts mit dem optischen Zwicky Transient Facility (ZTF) Teleskop beobachtet, um nach möglichen elektromagnetischen Gegenstücken zu Neutrinos zu suchen. Mit diesem Neutrino-Nachfolgebeobachtungsprogramm wurde die helle TDE AT2019dsg als mutmaßliche Neutrinoquelle identifiziert. Die Wahrscheinlichkeit, solch eine helle TDE zufällig zu finden, beträgt 0,2%. Die Assoziation bedeutet, dass TDEs 3-100% der astrophysikalischen Neutrino-Alerts von IceCube ausmachen. Zusammengenommen deuten diese beiden Ergebnisse darauf hin, dass TDEs einen subdominanten Anteil des astrophysikalischen Neutrinoflusses bei hohen Energien emittieren. Die Assoziation des Neutrinoalerts IC191001A mit AT2019dsg ist erst das zweite Mal, dass ein hochenergetisches Neutrino mit einer mutmaßlichen astrophysikalischen Quelle in Verbindung gebracht werden konnte. / The IceCube Neutrino Observatory, the world’s largest neutrino observatory, first discovered a flux of high-energy neutrinos in 2013. These neutrinos must be produced by astrophysical accelerators, but their exact origin remains unknown. One proposed source of neutrinos are Tidal Disruption Events (TDEs), which occur when stars disintegrate after passing sufficiently close to supermassive black holes. In this thesis, the first search for neutrino-TDE correlations was performed, using a compilation of published TDEs and a dataset of one million muon neutrino events of GeV-PeV energies from IceCube. No significant correlation was found, limiting the contribution of TDEs without relativistic jets to 0-38.0% of the total astrophysical neutrino flux. The contribution of TDEs with relativistic jets was limited to 0-3.0% of the total flux. IceCube also publishes high-energy (>100 TeV) probable astrophysical muon neutrino events automatically, in the form of public realtime alerts. As part of this thesis, the location of 22 such neutrino alerts were observed by the Zwicky Transient Facility (ZTF), an optical telescope, in order to search for possible electromagnetic counterparts to neutrinos. With this neutrino follow-up program, the bright TDE AT2019dsg was identified as a probable neutrino source. The probability of finding such a bright TDE by chance is 0.2%. The association implies that TDEs contribute 3-100% of the astrophysical neutrino alerts issued by IceCube. Taken together, these two results suggest that TDEs emit a subdominant fraction of the astrophysical neutrino flux at high energies. The association of neutrino alert IC191001A with AT2019dsg represents only the second time that a high-energy neutrino has been matched to a probable astrophysical source.

Gammastrahlenblitze (Gamma-Ray Bursts, GRBs) gehören zu den energiereichsten transienten Ereignissen im Universum und werden als mögliche Quellen von ultra-hochenergetischen kosmischen Strahlen (Ultra-High-Energy Cosmic Rays, UHECRs) gehandelt. Eine eindeutige Bestätigung durch UHECR-Messungen ist jedoch schwierig, da die Richtungsinformation der kosmischen Strahlen während ihrer Ausbreitung aufgrund von Ablenkung durch Magnetfelder teilweise verloren geht. In dieser Dissertation folgen wir einem alternativen multi-messenger Ansatz in welchem die Anwesenheit von kosmischen Strahlen in einem astrophysikalischen Objekt durch Neutrino- oder Photon-Signaturen angezeigt wird. Hierfür simulieren wir GRBs im Internal-Schock-Szenario, welches verschiedene Emissionszonen entlang des astrophysikalischen Jets erfasst, und berechnen nukleare Wechselwirkungen mit modernsten numerischen Codes. In diesem Rahmen diskutieren wir unter welchen Voraussetzungen die Quellklasse von GRBs UHECR-Daten beschreiben kann ohne Neutrinolimits. Letzere begründen sich im Mangel an gemessenen hoch-energetischen (High-Energy, HE) Neutrinos, die mit bekannten GRBs assoziert werden konnten. Die Neutrinolimits können alternativ in Objekten niedriger Leuchtkraft eingehalten werden, die typischerweise eine niedrige Neutrinoproduktionseffizienz haben. Wir präsentieren leptonische Strahlungsmodellierungen für die Unterklasse von GRBs niedriger Leuchktraft mit einem Fokus auf sehr hoch-energetischer (Very-High-Energy, VHE) Emission welche von aktuellen/zukünfitgen Instrumenten beobachtet werden könnte und bestimmen wir die maximalen Energien verschiedener Atomkerne. Die Präsenz von Hadronen kann alternativ durch Signaturen in verschiedenen Wellenlängen des Photonspektrums angezeigt werden. Wir erforschen diesen Ansatz in lepto-hadronischen Modellen für GRBs mit hoher Leuchtkraft, wobei wir kritisch diskutieren, welche Bedingungen erfüllt sein müssen damit typische GRB-Spektren reproduziert werden können. / Gamma-Ray Bursts (GRBs) are among the most energetic transients in the Universe and candidate sources of Ultra-High-Energy Cosmic Rays (UHECRs). A clear confirmation from UHECR measurements is however challenging, as the directional information of cosmic rays is partially lost due to deflection by (inter-)galactic magnetic fields. In this dissertation we follow an alternative multi-messenger approach, in which the presence of UHECRs in an astrophysical object is indicated by neutrino or photon signatures produced in nuclear interactions. For this, we simulate GRBs in the multi-zone internal shock model, which accounts for different emission zones along the astrophysical jet and calculate nuclear interactions with state-of-the-art numerical codes. In this framework we discuss under which conditions the population of GRBs can still account for UHECR measurements while obeying current neutrino limits that stem from the lack of detected High-Energy (HE) neutrinos which could be associated with known GRBs. These neutrino limits may alternatively be met in low-luminosity objects, which typically have low neutrino production efficiency. We present leptonic radiation models of the sub-class of low-luminosity GRBs, with a focus on Very-High-Energy (VHE) emission potentially observable by current/future instruments. Connecting to UHECRs, we determine maximal energies of different cosmic-ray nuclei. The presence of nuclei may also be indicated by multi-wavelength signatures in the photon spectrum. We explore this approach in lepto-hadronic models of high-luminosity bursts, where we also critically review the conditions necessary to reproduce typical GRB spectra within our model.

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.

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.

Zeitabhängige Multimessenger-Astronomie ist die Studie von vorübergehenden astrophysikalischen Phänomenen mithilfe verschiedener Botschafterteilchen und -wellen. Das High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) ist ein bodengestütztes Teleskop-Array, das Gammastrahlen im Bereich von 30 GeV bis 100 TeV misst. In dieser Arbeit werden drei H.E.S.S.-Programme zur Nachverfolgung von vorübergehenden Phänomenen diskutiert. Zuerst wird das Nova-Programm vorgestellt, zusammen mit der Entdeckung des Ausbruchs von RS Ophiuchi (RS Oph) im Jahr 2021. RS Oph ist eine Nova, welche schon mehrmals ausgebrochen ist. Die Analyse der Nova, zeigt eine klare Detektion über die ersten fünf Nächte sowie eine marginale Detektion bis zu vier Wochen nach dem Ausbruch. RS Oph ist damit das erste galaktische vorübergehende Phänomen, das bei Energien von ~1 TeV detektiert wurde. Eine klare Variabilität des Spektrums wird gezeigt. Eine Diskussion zeigt, dass die beobachteten Gammastrahlen höchstwahrscheinlich durch beschleunigte Protonen innerhalb eines astrophysikalischen Schocks stammt. Die Ergebnisse zeigen eine zeitaufgelöster Teilchenbeschleunigung. Das zweite Programm ist das Gravitationswellen (GW)-Programm. Hier wird die Analyse von vier beobachteten Verschmelzungsereignissen von binären schwarzen Löchern vorgestellt. Es wird keine Detektion gemeldet, stattdessen werden Himmelskarten mit Höchstgrenzen produziert. Die Effektivität der GW-Nachverfolgung mit H.E.S.S. wird diskutiert. Das dritte Programm ist das Pionierprogramm für Gezeiten-Sternzerrissereignisse (TDEs), das in den letzten Jahren etabliert wurde. Herausforderungen des Programms werden diskutiert, und die H.E.S.S.-Nachverfolgung des Ereignisses AT2019uqv wird vorgestellt. Es werden keine Detektionen gemeldet, stattdessen werden obere Grenzen für AT2019uqv angegeben. Abschließend erfolgt ein Vergleich der Programme sowie ein Ausblick auf das nächste Jahrzehnt bodengestützter Gammastrahlenbeobachtungen. / Time-domain multi-messenger astronomy is the study of transient astrophysical phenomena using several messenger particles and waves. The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is a ground-based telescope array, which measures very-high-energy gamma rays between 30 GeV and 100 TeV. Within this work, three H.E.S.S. transients follow-up programs and their results are shown. At first, the nova program is shown together with the detection of the 2021 RS Ophiuchi (RS Oph) outburst. RS Oph is a known nova with past eruptions. The analysis of the nova presented in this work shows a clear detection over the first five nights of observations, and a marginal detection two to four weeks after the eruption. RS Oph is thus the first Galactic transient phenomenon detected at ~1 TeV energies. A clear variability of the spectrum is shown. A discussion of the underlying physics concludes, that the observed gamma-ray emission most likely stems from cooled protons accelerated within an astrophysical shock. The results show time-resolved particle acceleration. The second program is the gravitational-waves (GWs) program. Here, the analysis of four observed binary black hole merger events is shown. No detection is reported, and upper limit sky maps are derived instead. The viability of GW follow-up with H.E.S.S. is discussed, and a case is made for a potential counterpart detection. The third program is the tidal disruption event (TDE) program, a pioneered program established at the emergence of the source class within the last few years. Unique challenges of the follow-up program are discussed, and the H.E.S.S. follow-up of the event AT2019uqv is shown. No detection is reported, and upper limits for AT2019uqv are given instead. The interest in follow-up observations of TDEs with gamma-ray instruments is stressed. In conclusion, a comparison of the different programs and their requirements is given, together with an outlook for the next decade of ground-based gamma-ray observations.

Les sources transitoires sont souvent associées aux phénomènes les plus violents de l’Univers, où l’accélération de hadrons peut avoir lieu. Parmi ces sources, les sursauts gamma, les noyaux actifs de galaxie ou encore les supernovae à effondrement de coeur sont des candidats prometteurs pour la production de rayons cosmiques et de neutrinos de haute énergie. Le télescope ANTARES, situé au fond de la Méditerranée, a pour but de détecter ces neutrinos, qui pourraient révéler la présence d’une source de rayons cosmiques. Cependant, pour augmenter la sensibilité aux sources transitoires, une méthode basée sur le suivi multi-longueur d’onde d’alertes neutrino a été développée au sein de la collaboration ANTARES. Ce programme, TAToO, permet de déclencher un réseau de télescopes optiques et l’instrument XRT du satellite Swift seulement quelques secondes après la détection d’un neutrino par ANTARES. Les télescopes commencent un programme d’observation de la région du ciel correspondante pour tenter de détecter une contrepartie optique ou X à l’évènement neutrino. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur le développement et la mise en place d’un programme d’analyse d’images optiques, ainsi que sur l’analyse de données optiques et X obtenues lors des observations par les différents télescopes, pour identifier des sources transitoires rapides, telles que les émissions rémanentes de sursauts gamma, ou lentes, telles que les supernovae à effondrement de coeur. / Transient sources are often associated with the most violent phenomena in the Universe, where the acceleration of hadrons may occur. Such sources include gamma-ray bursts (GRBs), active galactic nuclei (AGN) or core-collapse supernovae (CCSNe), and are promising candidates for the production of high energy cosmic rays and neutrinos. The ANTARES telescope, located in the Mediterranean sea, aims at detecting these high energy neutrinos, which could reveal the presence of a cosmic ray accelerator. However, to enhance the sensitivity to transient sources, a method based on multi-wavelength follow-up of neutrino alerts has been developed within the ANTARES collaboration. This program, denoted as TAToO, triggers a network of robotic optical telescopes and the Swift-XRT with a delay of only few seconds after a neutrino detection. The telescopes start an observation program of the corresponding region of the sky in order to detect a possible electromagnetic counterpart to the neutrino event. The works presented in this thesis cover the development and implementation of an optical image analysis pipeline, as well as the analysis of optical and X-ray data to search for fast transient sources, such as GRB afterglows, and slowly varying transient sources, such as CCSNe.

Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Charakterisierung extrem starker Quellen, die höchstwahrscheinlich die kosmische Strahlung beschleunigen. In dieser Arbeit wurden VHE-Gammastrahlenbeobachtungen mit den MAGIC-Teleskopen verwendet, um die Eigenschaften von Blazaren zu untersuchen. Um die Mechanismen zu untersuchen, die zur Breitbandemission von Blazaren führen, wird ein stationärer lepto-hadronischer Code unter Verwendung eines einfachen semianalytischen Frameworks entwickelt. Daher implementiert der Code neben den leptonischen Wechselwirkungen auch die relevanten hadronischen Wechselwirkungskanäle: Protonensynchrotronstrahlung, Photo-Meson-Wechselwirkungen, Proton-Proton-Wechselwirkungen und Paarkaskaden. Die Dissertation präsentiert die Ergebnisse derMAGIC- und Multiwellenlängen-Monitoring-Kampagne des Blazars 1ES 1959 + 650 im Jahr 2016. Im Jahr 2016 durchlief die Quelle eine äußerst aktive Phase und zeigte am 13. Juni, 14. Juni und 1. Juli 2016 drei bemerkenswert helle VHE-Gammastrahlenfackeln. Um die Breitbandspektren der Quelle während der bemerkenswerten Fackelaktivitäten zu untersuchen, wurden drei verschiedene theoretische Modelle übernommen: leptonisch, hadronisch und gemischt lepto-hadronisch. Sowohl das hadronische als auch das gemischte leptohadronische Modell ergaben während der intensiven Aktivitätsperiode Neutrinoflüsse, die unter der Empfindlichkeit der gegenwärtigen Generation von Neutrinoteleskopen liegen. Die Beobachtung eines hochenergetischen Neutrinos durch IceCube im räumlichen und zeitlichen Zusammentreffen mit einem aufflammenden Blazar mit dem Namen TXS 0506 + 056 ergab 2017 erstmals Hinweise auf Identifizierung einer extragalaktischen kosmischen Strahlenquelle. Die Modellierung der elektromagnetischen Daten und des vorhergesagten Neutrinoflusses impliziert, dass die Quelle tatsächlich ein potenzieller Neutrinostrahler und damit ein Beschleuniger für energiereiche kosmische Strahlen sein könnte. / The main aim of this thesis is to characterize extremely powerful sources that are most likely accelerating cosmic rays. Cosmic-ray sources are also believed to produce photons and neutrinos that act as direct tracers of their sources of origin. In this thesis VHE gamma-ray observations by the MAGIC telescopes were used to study the properties of blazars. To investigate the mechanisms giving rise to the broadband emission from blazars, a stationary lepto-hadronic code is developed using a simple semi-analytical framework. Hence along with the leptonic interactions, the code also implements the relevant hadronic interaction channels: proton synchrotron radiation, photo-meson interactions, proton-proton interactions and pair cascades. The thesis presents the results from theMAGIC and multi-wavelength monitoring campaign of the blazar 1ES 1959+650 during 2016. In 2016 the source underwent into an extremely active phase and exhibited three remarkably bright VHE gamma-ray flares on 13th June, 14th June and 1st July of 2016. On two of these nights, signs of rapid flux variability within sub-hour timescales was clearly resolved by the MAGIC observations. In order to investigate the broadband spectra of the source during the remarkable flaring activities, three different theoretical models were adopted: leptonic, hadronic and mixed lepto-hadronic. Both the hadronic and mixed leptohadronic models yielded neutrino fluxes during the intense activity period, that falls below the sensitivity of the current generation of neutrino telescopes. In 2017, the observation of a high-energy neutrino by IceCube in spatial and temporal coincidence with a flaring blazar named TXS 0506+056 yielded for the first time, hints towards identification of an extragalactic cosmic-ray source. The modelling of the electromagnetic data and the predicted neutrino flux implies that the source could indeed be a potential neutrino emitter and hence an accelerator of high-energy cosmic rays.

Der Ursprung der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung (UHECRs) benötigt Modelle der photonuklearen kosmischen Strahlungsinteraktionen. In dieser Arbeit stelle ich Modelle vor, die drei Aspekte der Modellierung der Hochenergie-Astronuklearphysik verbessern: die Photomesonenproduktion durch Kerne der kosmischen Strahlung, die schwerer als Protonen sind, die Gammastrahlenemission von instabilen Kernen, die durch den Photodisintegrationsprozess der kosmischen Strahlung erzeugt werden, und die Simulation der extragalaktischen Ausbreitung von Kernen, die schwerer als Eisen sind (sogenannte superschwere Isotope). Das Photomesonenmodell ist das erste in der Literatur, das über das einfache Prinzip der Nukleonen-Superposition hinausgeht. Es liefert eine detailliertere Beschreibung der inelastischen Wirkungsquerschnitte und des emittierten Spektrums von Sekundärteilchen, einschließlich Isotopen und Pionen, die zu Photonen und Neutrinos führen. Die Auswirkungen des Modells werden in Simulationen von Gammastrahlenausbrüchen und Gezeitenstörungsereignissen gezeigt, und es beeinflusst signifikant die hochenergetische Neutrinoemission, die chemische Zusammensetzung und das Spektrum der emittierten UHECRs. Das zweite Modell beschreibt die Photoproduktion aus den De-Exzitationen und Zerfällen instabiler Kerne, die aus dem Photozerfall der kosmischen Strahlung in Wechselwirkung mit astrophysikalischen Photonen resultieren sollen. Ihre Wirkung wird am Photoemissionsspektrum des Kerns von Centaurus A veranschaulicht und mit ähnlichen Arbeiten verglichen, mit denen es Unstimmigkeiten gibt. Schließlich wird der Photodesintegration von UHECR überschweren Kernen diskutiert. Eine Wechselwirkungstabelle wird unter Verwendung von Querschnitten aus TALYS konstruiert, und die Wechselwirkungsraten werden im Zusammenhang mit der extragalaktischen Ausbreitung berechnet. Überschwere Kerne breiten sich in bestimmten Energiebereichen weiter aus als leichtere Kerne. / The origin of the ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) is still unknown. Photonuclear interactions of cosmic rays are key to understanding this problem in a multimessenger context. Nuclear physics insights are crucial in building accurate models to interpret the data that indicates UHECR can be heavier than protons. This thesis presents models that improve three aspects of high-energy astronuclear physics modelling: photomeson production by cosmic-ray nuclei heavier than protons, gamma-ray emission from unstable nuclei created by the photodisintegration of cosmic rays, and the simulation of extragalactic propagation of nuclei heavier than iron (so-called superheavy isotopes). The photomeson model is the first in the literature to go beyond the simple principle of nucleon superposition. It provides a more accurate description of the inelastic cross sections, and the emitted spectrum of secondary particles, including isotopes and pions which lead to photons and neutrinos.The model’s impact is shown in simulations of gamma-ray bursts and tidal disruption events, and it affects significantly the high-energy neutrino emission, the chemical composition and the spectrum of the emitted UHECRs. The second model describes photoproduction from de-excitations and decay of unstable nuclei, which are expected to be produced in photo-disintegration of cosmic rays interacting with astrophysical photons. Its impact is illustrated in the photo-emission from the core of the Centaurus A and compared to similar works with which is in disagreement. This supports the need for sufficiently accurate models. Lastly, the photodisintegration of UHECR superheavy nuclei is discussed. An interaction table is produced with cross sections obtained from TALYS and the interaction rates computed in the context of extragalactic propagation. Superheavy nuclei propagate further than lighter nuclei in certain energy ranges. The models developed are publicly available as open-source software.