Das IceCube Neutrino Observatorium am Südpol hat die Existenz eines diffusen astrophysikalischen Neutrinoflusses nachgewiesen. Die Flavor-Zusammensetzung astrophysikalischer Neutrinos trägt Informationen über Orte kosmischer Teilchenbeschleunigung und Auswirkungen potenzieller neuer Physik auf die Neutrinoausbreitung. Zur seiner Bestimmung ist die Beobachtung von Tau-Neutrinos nötig. Ab einer Energie von ~O(100 TeV) kann deren Wechselwirkung über geladene Ströme eine Doppelkaskaden-Topologie ergeben, bei der die zwei Energiedepositionen am Tau-Entstehungs- und Tau-Zerfallsvertex aufgelöst werden können. Diese wird zusammen mit den bereits bekannten Topologien Einzel-Kaskade und Spur zur Messung der Flavor-Zusammensetzung auf der Erde benutzt. In dieser Arbeit werden im Detektorvolumen von IceCube anfangende Ereignisse mit hohen Energien algorithmisch in drei Topologien klassifiziert. Im Datensatz mit einer Lebensdauer von 7.5 Jahren werden zum ersten Mal zwei Doppelkaskaden identifiziert; diese sind Kandidaten für Tau-Neutrinos. Die Eigenschaften der zwei Tau-Neutrino-Kandidaten werden in einer a-posteriori Analyse im Detail studiert. Die statistische Methode wird durch einen Log-Likelihood-Quotienten-Test mit multi-dimensionalen Wahrscheinlichkeitsdichten verbessert. Eine der Doppelkaskaden ist konsistent mit dem Szenario einer misklassifizierten Einzelkaskade, während für die zweite Doppelkaskade die Wahrscheinlichkeit eines nicht-Tau-Neutrino Szenarios auf nur 3% bestimmt wird. Die gemessene Flavor-Zusammensetzung ist konsistent mit der Annahme von astrophysikalischen Neutrinos sowie mit bisher veröffentlichen Resultaten. Die Messung ergibt einen astrophysikalischen Tau-Neutrino Fluss von dPhi / dE=3.0 (-1.8,+2.2) (E / 100TeV)^(-2.87) 10^(-18) GeV^(-1) cm^(-2) s^(-1) sr^(-1), was dem ersten positiven Ergebnis für die Tau-Normalisierung entspricht. Die Nichtexistenz eines astrophysikalischen Tau-Neutrino Flusses wird mit einer Signifikanz von 2.8 sigma abgelehnt. / The IceCube neutrino observatory at the South Pole has confirmed the existence of a diffuse astrophysical neutrino flux. The flavor composition of astrophysical neutrinos carries information on the environments at the sites of cosmic particle acceleration as well as potential imprints of new physics acting during neutrino propagation. To measure the flavor composition the observation of the long-elusive tau neutrinos is required. Starting at an energy of ~O(100 TeV) a tau neutrino charged current interaction can produce a double cascade topology, where the two energy depositions from the tau creation and the tau decay vertices are resolvable. This topology together with the well-established track and single cascade topology is used to measure the flavor composition on Earth. In this work, high-energy events starting in IceCube's detector volume are classified algorithmically into the three topologies. In the dataset with a livetime of 7.5 years, two events are classified as double cascades for the first time, yielding multi-TeV tau-neutrino candidates. The properties of the two tau-neutrino candidates are investigated in an a-posteriori analysis. The statistical method is improved by performing a log-likelihood-ratio test using multi-dimensional probability densities. One of the double cascades is consistent with being a misclassified single cascade, while the second double cascade is found to have a misclassification probability of only 3%. The measured flavor composition nu_e:nu_mu:nu_tau = 0.20:0.39:0.42 is consistent with astrophysical neutrinos and with previously published results. The astrophysical tau-neutrino flux is measured to dPhi / dE=3.0 (-1.8,+2.2) (E / 100TeV)^(-2.87) 10^(-18) GeV^(-1) cm^(-2) s^(-1) sr^(-1) with spectral index gamma=2.87 (-0.20,+0.21), yielding the first non-zero results for the tau normalization. The absence of an astrophysical tau-neutrino flux is disfavored at 2.8 sigma.

As the IceCube Neutrino Observatory seeks to expand its sensitivity to high PeV-EeV energies by means of the radio technique, the need for fast, efficient and reliable reconstruction methods to recover neutrino properties from radio detector data has emerged. The first recorded investigation into the possibilities of using a neural network based approach to flavor reconstruction is presented. More specifically, a deep convolutional neural network was built and optimized for the purpose of differentiating νe charged current (CC) interaction events from events of all other flavors and interaction modes. The approach is found to be largely successful for neutrino energies above 1018 eV, with a reported accuracy on νe - CC events of > 75% for neutrino energies > 1018.5 eV while maintaining a >60% accuracy for energies > 1018. Predictive accuracy on non- νe - CC events varies between 80% and 90% across the considered neutrino energy range 1017<Eν<1019. The dependence of the accuracy on νe - CC events on neutrino energy is pronounced and attributed to the LPM effect, which alters the features of the radio signals significantly at energies above 1018 eV in contrast to non- νe - CC events. The method shows promise as a first neural network based neutrino flavor reconstruction method, and results can likely be improved through further optimization.

Astrophysikalische Neutrinos können in der Wechselwirkung kosmischer Strahlungsteilchen mit Materie oder Photonen nahe derer Quellen entstehen. Die auf der Erde erwartete Flavor-Zusammensetzung kann mögliche Neutrino Produktionsmechanismen einschränken. Tau-Neutrinos sind aufgrund von Flavor-Oszillationen über kosmische Distanzen zu erwarten. Das IceCube Neutrino Observatorium hat astrophysikalische Neutrinos bei Energien zwischen ~60 TeV und ~10 PeV entdeckt. Die gemessene Flavor-Zusammensetzung ist kompatibel mit ~1:1:1, wie vom Pion Produktionsszenario erwartet wird. Die Elektron- und Tau-Neutrino Anteile sind experimentell jedoch weitgehend unbestimmt. Das Ziel der in dieser Dissertation präsentierten Arbeit ist die erste Identifikation eines Tau-Neutrinos in IceCube. Die Suche basiert auf der “Doppel-Kaskaden” Ereignistopologie, die durch zwei aufeinanderfolgende Teilchenschauer aufgrund der Tau-Neutrino Wechselwirkung bzw. des Tau-Zerfalls beschrieben ist. Tau-Neutrinos werden durch die Rekonstruktion dieser Ereignistopologie identifiziert. Der Abstand zwischen beiden Kaskaden entspricht der Tau-Zerfallslänge. Tau-Neutrinos werden oberhalb einer deponierten Energie von ~200 TeV mit einer Effizienz von ~30-50% bei einer Untergrundkontamination von ~5-25% identifiziert. Die Tau-Zerfallslänge wird oberhalb der Auflösungsgrenze von ~10 m auf ~2 m genau bestimmt. In Abhängigkeit des angenommenen Neutrino-Energiespektrums werden ~1-3 identifizierbare Tau-Neutrinos und ~1 Untergrundereignis erwartet. Kein Doppel-Kaskaden Ereignis wird in sechs Jahren experimenteller Daten beobachtet. Der astrophysikalische Tau-Neutrino Fluss wird durch ein oberes Limit von 2.68x10^{-18}(E/100 TeV)^{-2.97} GeV^{-1} cm^{-2} sr^{-1} s^{-1} mit einem Konfidenzniveau von 90% beschränkt. Die gemessene Flavor-Zusammensetzung ~0.51:0.49:0 ist mit dem Pion Produktionsszenario kompatibel. Die Ergebnisse beinhalten die bislang sensitivste Suche nach hochenergetischen Tau-Neutrinos in IceCube. / Astrophysical neutrinos may be produced in interactions of cosmic rays with ambient matter or photons near their sources. The observable flavor composition on Earth can constrain possible production scenarios. The appearance of tau-neutrinos due to neutrino oscillations over cosmic baselines is a clear astrophysical signature. A diffuse flux of astrophysical neutrinos between ~60 TeV to ~10 PeV energy was discovered with the IceCube Neutrino Observatory. The observed flavor composition is compatible with ~1:1:1 expected from pion production and decay at the sources, although the experimental constraints on the electron- and tau-neutrino fractions are weak. The work presented in this thesis aims to identify a tau-neutrino interaction in IceCube for the first time. The search is based on the “double cascade” event topology, which is unique to the tau-flavor and characterized by two consecutive particle showers from the charged-current interaction of a tau-neutrino with a nucleus in the ice and the subsequent decay of the tau-lepton. Tau-neutrinos are identified by reconstructing this event topology, for which the distance between both cascades is an estimator of the tau decay length. Above ~200 TeV deposited energy, the identification efficiency is between ~30-50% and the background contamination ~5-25%. The tau decay length is resolved to ~2 m above the experimental resolution limit of ~10 m. This search is expected to yield ~1-3 identifiable tau-neutrino interactions and ~1 background event, depending on the assumed neutrino energy spectrum. No double cascade event is observed in six years of detector data. The astrophysical tau-neutrino flux is constrained by an upper limit of 2.68x10^{-18}(E/100 TeV)^{-2.97} GeV^{-1} cm^{-2} sr^{-1} s^{-1} at 90% confidence level. The measured flavor composition of ~0.51:0.49:0 is compatible with the pion production scenario. The results entail the most sensitive search for highly energetic tau-neutrinos in IceCube so far.