The cosmic neutrino background (CNB) can be composed of both active and hypothetical sterileneutrinos. At approximately one second after big bang, neutrinos decoupled from radiationand matter at a temperature of approximately one MeV. Neutrinos played an important role inthe origin and evolution of our universe and have been indirectly verified by cosmological dataon the BBN (Big Bang nucleosynthesis) of the Big Bang.It was Steven Weinberg in 1962 that first theorized on the direct detection of relic neutrinos.The signal of the relic neutrino capture on a tritium target can be observed by studying theendpoint of the electrons kinetic energy that are above the endpoint energy of the beta decayspectrum. The PTOLEMY project aims to archive direct detection of the relic neutrinobackground with a large tritium target of 100 gram, MAC-E-Filter, RF-tracking, Time of flighttracking and a cryogenic calorimetry.In this thesis the MAC-E-Filter have been simulated in two filter configurations. In the firstconfiguration, the electron were simulated five times in the filter. Two in the opposite sideof the detector, one in the middle, and two at the detector. In the second configuration theelectrons was simulated in the entrance solenoid at a fixed position of y = -0.19634954 m fromthe center of the filter and in random positions. Both multiple electrons and single electronswere simulated in the second configuration.In the single electron configuration the electron had a starting position of y = -0.19634954 mfrom the center of the filter, and an initial kinetic energy of 18.6 KeV. The first filter configurationsuccessfully accomplished to simulate the electron track, as the electron was reflectedback and forth between the entry and detector solenoid. The electric and magnetic field profilediered at the entry and detector solenoid. The second filter configuration successfully showedthat the electron will reach the end solenoid, when the filter length was 0.5 m. When the filterlength was increased to 0.7 m, then the electron was reflected in the middle of the filter. Thesimulation showed that the electron energy dropped below 1 eV from 18.6 KeV as the electronpropagated through the filter. The magnetic and electric fields decreased exponentially in thedirection of the detector solenoid. The Simulation of multiple electrons showed mixed resultsand would need more modifications in order to come to a final conclusion.

Made available in DSpace on 2016-04-28T14:16:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mauro Sebastiao Martins.pdf: 805307 bytes, checksum: bf96e1e0d841ef228e79449796e6fd6b (MD5) Previous issue date: 2008-05-13 / This Work, a thesis in history of subatomic particles, is an historic and epistemological development study of the theoretical and experimental subatomic particles and antiparticles from the early Dirac s quantum theory of the electron, published in a year of 1928, until the publications of the theories of the quarks in a decade of the sixths, the Gell Mann theory of quarks include. That research studies was made in primaries and secondary bibliographies, didactic manuals, articles of scientific journals and scientific magazines, history and philosophy of science books and history of particles books. This studies show that in the delimitated period of study, the paradigmatic theories and experiments appear in the period call of common science, in suite the scientific period is the crisis, so, have a concurrency theories and experimental models period, finally appear a paradigmatic theory and experimental model, like the Khun historical analyses. The paradigmatic particles theories and experimental models, appear a manner of broke up whit of old scientific know, like understood of Bachelard analysis. In the daily period the candidate of paradigmatic theory of particles is the supercordas theory. However, ours studies are conclusive that it have a periodic cycle, into theirs, appear the paradigmatic theoretical and experimental models and had surpassed in the suite period by others paradigmatic theoretical and experimental models, and other periodic cycle occur when of paradigmatic theories and experimental models appear, and so on / Este trabalho, uma tese em história das partículas subatômicas, é um estudo da evolução histórica e epistemológica das teorias e experimentos em partículas e antipartículas, desde o advento da teoria quântica do elétron de Dirac, no ano de 1928, até as publicações das teorias sobre os quarks da década de sessenta, incluindo, nestas, a teoria dos quarks de Gell Mann. Os estudos foram embasados nos levantamentos de bibliografias primárias e secundárias: manuais didáticos, artigos de revistas e jornais científicos, obras em história e filosofia da ciência e em história das partículas. Ele demonstra que o período delimitado para o estudo revela que as teorias e experimentos paradigmáticos surgem após um período de ciência normal, seguido de crise e concorrência entre as teorias e modelos experimentais, como compreendido pela análise histórica de Thomas Khun. As teorias e experimentos paradigmáticos, em partículas, surgem de rupturas com o velho conhecimento estabelecido, como entendido pela análise epistemológica de Bachelard, do desenvolvimento do conhecimento científico. No período atual a candidata à teoria paradigmática em partículas, segundo a manifestação da comunidade científica dos pesquisadores em física de partículas, é a teoria das supercordas. Entretanto, os estudos são conclusivos, quanto à existência de ciclos periódicos, nos quais, as teorias e modelos paradigmáticos aparecem e são superados por outras teorias e modelos paradigmáticos emergentes

This thesis is devoted to the theory and phenomenology of neutrino physics. While the standard model of particle physics has been extremely successful, it fails to account for massive neutrinos, which are necessary to describe the observations of neutrino oscillations made by several different experiments. Thus, neutrino physics is a possible window for exploring the physics beyond the standard model, making it both interesting and important for our fundamental understanding of Nature. Throughout this thesis, we will discuss different aspects of neutrino physics, ranging from taking all three types of neutrinos into account in neutrino oscillation experiments to exploring the possibilities of neutrino mass models to produce a viable source of the baryon asymmetry of the Universe. The emphasis of the thesis is on neutrino oscillations which, given their implication of neutrino masses, is a phenomenon where other results that are not describable in the standard model could be found, such as new interactions between neutrinos and fermions. / QC 20100630

Le télescope à neutrinos ANTARES est situé à 2500 mètres de profondeur, et est composé d'un réseau de 900 photomultiplicateurs installés pour la détection de la lumière Cherenkov émise par des muons, induits par l'interaction de neutrinos avec la matière, et dans le but de reconstruire leur direction. Cependant en outre d'être en mesure de détecter des neutrinos de hautes énergies, les télescope à neutrinos pourraient mesurer le passage de monopôles magnétiques dans le détecteur. Dans ce travail, ont été présentées tout d'abord les différentes méthodes d'étalonnage utilisées afin de caractériser les photomultiplicateurs, qui sont le cœur d'un télescope à neutrinos. La possibilité de détecter des monopôles magnétiques avec ANTARES a ensuite été abordée, puis une première analyse optimisée pour la recherche de monopôles de hautes vitesses a montré la grande sensibilité offerte par le télescope. Enfin, un algorithme de reconstruction de traces a été modifié, et une nouvelle analyse cette fois sensible sur une plus grande gamme de vitesse a été effectuée. Après l'application de la dernière analyse sur les données prises en 2008 par le télescope ANTARES, de nouvelles limites supérieures sur le flux de monopôles magnétiques ascendants de masse inférieure 'a 1014 GeV ont finalement été obtenues, et sont les meilleures contraintes expérimentales sur leur flux pour la région de vitesse β " [0.625, 0.995].

Le télescope ANTARES pour detecter les neutrinos de haute énergie est un réseau tridimensionnel de photomultiplicateurs répartis sur 12 lignes, installés sur le fond marin de la Méditerranée. Le détecteur a été utilisé dans des configurations partielles depuis Mars 2006 et le déploiement a été achevée en mai 2008. Le principal objectif de l'expérience est la recherche de neutrinos de haute énergie à partir de sources astrophysiques . Un télescope à neutrinos dans l'hémisphère Nord inclut le centre galactique dans son champ de vision et il peut être considéré comme complémentaire au télescope IceCube en Antarctique. Le détecteur est optimisée pour la détection de neutrinos muoniques, au delà de la seuile de 1 TeV et en détectant les muons issus des interactions, particules chargées qui peuvent voyager kilomètres et sont presque colinéaires avec les neutrinos originaires. Les neutrinos de haute énergie peuvent avoir différentes origines : ils pourraient être créés lors de l'interaction des rayons cosmiques énergétiques élevés avec le CMB ou dans des phénomènes cosmologiques tels que restes de supernovae ou AGN. Il y a d'autres sources possibles en raison de nouvelles théories dans le domaine de la physique au-delà du Modèle Standard. Dans ma troisième année de thèse, j'ai effectué la recherche pour des neutrinos muoniques extraterrestres d'énergie ultra-haute (dans la gamme dynamique de 100 PeV - 10 EEV) issus de sources non résolues . Si la sensibilité des techniques de recherche de sources ponctuelles est trop petit à détecter flux de neutrinos de corps célestes individuels, il est possible que les sources ensemble pourraient produire un excès d'événements au cours du fond de neutrinos atmosphériques et reconnaissable comme un signal UHE. La sensibilité du détecteur de neutrinos ANTARES à diffuser est évaluée à partir de simulations MonteCarlo, une production dédiée à la gamme d'énergies écrit ci-dessus. L'absorption des neutrinos par la Terre pour des énergies supérieures que PeV avait été prise en compte, de sorte que la recherche de l' astrophysique signal est limitée près de l'horizon. Dans cette zone angulaire la plus sévère source de fond sont les neutrinos atmosphériques , mais aussi les muons atmospheriques qui même très réduites en nombre, peuvent feindre un signal cosmique. Sachant que les événements UHE déposent une grande quantité de lumière dans le détecteur , six des variables de ce type ont été choisies et ensuite une combinaison d'entre eux a été utilisés pour discriminer le signal du fond. J'ai pris en compte les différentes configurations de détection du Dec. 2008 à Décembre 2011 lors de l'analyse des données , avec une durée de vie équivalente de 800 jours. Les résultats sont représentés et la limite supérieure de flux diffus de neutrinos va être estimé, compte tenu de différents types de flux de UHE astrophysique sources d'accélération , comme AGN , un Waxman - Bahcall comme spectre ou un modèle de GZK coupure , dans le scénario de neutrinos cosmologique.

L'Univers est continûement le théâtre d'événements explosifs capables de relâcher une énorme quantité d'énergie sur des courtes échelles de temps. Ces sources transitoires comme les sursauts gamma, les supernovae ou les noyaux actifs de galaxie sont souvent associées à des objets extrêmes comme des étoiles à neutrons ou des trous noirs. De manière générale, ces sources émettent des radiations électromagnétiques dans une large bande spectrale voire sur la totalité du spectre pour les cas les plus extrêmes. Dès lors, une analyse multi-longueur d'onde est vitale pour étudier et comprendre la physique complexe de ces objets. De plus, au voisinage de ces sources, des particules (rayons cosmiques, RC) pourraient être efficacement accélérées jusqu'à des énergies très elevées dans des processus de chocs violents. L'interaction de ces RCs avec l'environnement peut conduire à la production d'un nombre significatif de neutrinos de hautes énergies. Par conséquent, l'étude des objets transitoires par le biais de l'astronomie neutrino offre la possibilité d'identifier enfin la nature des puissants accélérateurs cosmiques.Cette thèse est dédiée à l'étude de deux sources transitoires parmi les plus extrêmes dans l'Univers : les sursauts gamma (en anglais, Gamma-Ray Bursts : GRBs) détectés il y a ~ 50 ans et les sursauts radio (en anglais, Fast Radio Bursts : FRBs) fraîchement découverts il y a ~ 15 ans. Ces sources sont caractérisées par l'émission "prompte" d'un flash gamma (keV-MeV) durant de quelques ms à plusieurs secondes dans le cadre des GRBs et d'un flash intense en radio (GHz) durant quelques ms pour les FRBs. Dans le cas des GRBs une émission rémanente dite "afterglow" est observée dans une large gamme spectrale (X, visible et radio) alors que jusqu'à présent aucune autre contrepartie électromagnétique provenant d'un FRB n'a été découverte. Ces dernières années des modèles d'émission multi-longueur d'onde et multi-messager ont été développés afin d'expliquer ces 2 phénomènes. L'objectif majeur de ce travail de thèse est de tester ces modèles d'émission afin de contraindre la physique et la nature de ces deux objets. Pour cela, une analyse détaillée des propriétés physiques de l'émission afterglow des GRBs a été menée grâce à un large échantillon de données collectées ces 20 dernières années par diverses télescopes. Cette étude a permis de mettre en évidence les lacunes et les réussites du modèle GRB dit "standard" mais aussi les liens physiques subtils existant entre l'émission prompte des GRBs et leurs rémanences. Une recherche de signal neutrino en coïncidence avec les GRBs/FRBs a aussi été réalisée avec le télescope à neutrinos ANTARES. Les résultats sont décrits dans cette thèse ainsi que les contraintes apportées sur les processus d'accélération des particules durant ces phénomènes transitoires. Enfin, ce manuscrit rend compte des différents programmes d'observations innovants qui ont été engagés sur les télescopes optiques TAROT et Zadko et le télescope à neutrinos ANTARES afin de contraindre la nature des progéniteurs des GRBs/FRBs. / The Universe is continuously the scene of explosive events capable of releasing a tremendous amount of energy in short time scales. These transients like Gamma-Ray Bursts, Supernovae or Active Galactic Nuclei are often associated with extreme objects such as neutron stars or black holes. Generally, these sources emit light in a large spectral energy range and sometimes in the whole electromagnetic spectrum for the most extreme cases. Thus, a multi-wavelength analysis is crucial to study and understand the complex physical processes at work. Furthermore, in the vicinity of these sources, particles (cosmic-rays, CRs) could be efficiently accelerated up to very high energies by violent shock mecanisms. The interaction of these CRs with the surrounding environment may lead to a substantial production of high-energy neutrinos. Therefore, the study of the high-energy transient objects through neutrino astronomy offer the possibility to finally identify the nature of the powerful cosmic accelerators a hundred year after the discovery of the cosmic-rays.This thesis is dedicated to the study of two transient sources among the most extreme ones observed in the Universe: the Gamma-Ray Bursts (GRBs) detected ~ 50 years ago and the Fast Radio Bursts (FRBs) newly discovered ~ 15 years ago. These sources are characterised by the "prompt" emission of a gamma-ray flash (keV-MeV) lasting few ms up to few seconds for GRBs and an intense pulse of radio light (GHz) lasting few ms for FRBs. In the case of GRBs a late broadband afterglow emission is observed in X-rays/optical/radio domain while up to now no other electromagnetic counterpart has ever been detected in coincidence with any FRBs. These last years, many models predicting a multi-wavelength and a multi-messenger emission from these two phenomena have been developped. The main goal of this thesis work is to test these models in order to constrain the physics and the nature of the GRBs/FRBs. To do so, a detailed analysis on the physical properties of the GRB afterglow emission was made thanks to a large set of data collected these last 20 years by various facilities. The study reveals the major problems but also the successes encountered with the so-called "standard" GRB model. Subtle connections between the prompt and the afterglow emission are also discussed. In addition, a search for a neutrino signal from GRBs/FRBs was realised with the ANTARES neutrino telescope. The results are described in this thesis as well as the constraints on the particle acceleration mecanisms occuring during these transient phenomena.At last, this manuscript presents the different innovative observational programs realised in the optical domain with the TAROT and Zadko telescopes and in the astroparticle side with the ANTARES neutrino telescope in order to probe the nature of the GRBs/FRBs progenitors.

Dans la première partie de cette thèse, je présenterai le 5D MSSM qui est un modèle super symétrique avec une dimension supplémentaire. (Five Dimensional Minimal Supersymmetric Standard Model). Apres compactification sur l'orbifold S1/Z2, le calcul des équations du groupe de renormalisation (RGE) à une boucle montre un changement dans l'évolution des paramètres phénoménologiques. Dès que l'énergie E = 1/R est atteinte, les états de Kaluza- Klein interviennent et donnent des contributions importantes. Plusieurs possibilités pour les champs de matière sont discutés : ils peuvent se propager dans le "bulk" ou ils sont localisés sur la "brane". Je présenterai d'une part l'évolution des équations de Yukawa dans le secteur des quarks ainsi que les paramètres de la matrice CKM, d'autre part, les effets de ce modèle sur le secteur des neutrinos notamment les masses, les angles de mélange, les phases de Majorana et de Dirac. Dans la deuxième partie, je parlerai du modèle AMSB et ses extensions (MM-AMSB et HCAMSB). Ces modèles sont des scenarios de brisure assez bien motivés en super symétrie. En calculant des observables issues de la physique des particules puis en imposant des contraintes de cosmologie standard et alternative sur ces scénarios, j'ai déterminé les régions qui respectent les contraintes de la matière noire et les limites de la physique des saveurs. Je reprendrai ensuite l'analyse de ces modèles en utilisant de nouvelles limites pour les observables. La nouvelle analyse est faite en ajoutant les mesures récentes sur la masse du Higgs et les rapports de branchement pour plusieurs canaux de désintégrations / In the first part of this thesis, we review the Universal Extra-Dimensional Model compactified on a S1/Z2 orbifold, and the renormalisation group evolution of quark and lepton masses, mixing angles and phases both in the UED extension of the Standard Model and of the Minimal Supersymmetric Standard Model (the five-dimensional MSSM). We consider two typical scenarios: all matter fields propagating in the bulk, and matter fields constrained on the brane. The two possibilities give rise to quite different behaviours. For the quark sector we study the Yukawa couplings and various flavor observables and for the neutrino sector, we study the evolution of neutrino masses, mixing angles and phases. The analysis is performed in the two cases for different values of tan β and different radii of compactification. The resulting renormalization group evolution equations in these scenarios are compared with the existing results in the literature, together with their implications. In the second part, we present a simulation study about anomaly mediated supersymmetry breaking and its extensions. Anomaly mediation is a popular and well motivated supersymmetry breaking scenario. Different possible detailed realisations of this set-up are studied and actively searched for at colliders. Apart from limits coming from flavour, low energy physics and direct collider searches, these models are usually constrained by the requirement of reproducing the observations on dark matter density in the universe. We reanalyse these bounds and in particular we focus on the dark matter bounds both considering the standard cosmological model and alternative cosmological scenarios. We briefly discuss the implications for phenomenology and in particular at the Large Hadron Collider. After that we update our analysis by using new limits from observables and adding recent Higgs boson measurements for the mass and signal strengths in different decay channels

La première partie de ce document résume les arguments astrophysiques permettant de supposer l’existence de matière noire. Le modèle cosmologique ΛCDM y est présenté ainsi que la notion de section efficace d’auto-annihilation de matière noire. Les galaxies naines satellites de la Voie Lactées, sources de notre étude, sont introduites dans un second chapitre. Après un rappel des grandes structures qui composent l’univers, les problématiques liées aux galaxies naines sont abordées : nombre de ces galaxies, distribution de la densité de matière noire en leur sein et forces de marées dues à la Voie Lactée.La seconde partie discute de la modélisation de la densité de matière noire dans les galaxies naines. La méthode employée, utilisant l’équation de Jeans et la dispersion des vitesses projetées des étoiles, y est présentée. Trois profils de matière noire sont retenus : NFW, Burkert et Einasto ainsi que quinze galaxies naines. La production de neutrinos lors de l’auto-annihilation de matière noire est ensuite abordée. Les spectres énergétiques des neutrinos produits sont générés avec le logiciel PYTHIA puis comparé avec d’autres résultats pour le centre galactique. Vingt-trois hypothèses de masse du candidat de matière noire sont choisies, allant de 25 GeV/c2 `a 100 TeV/c2. Cinq canaux d’auto-annihilation sont sélectionnés pour l’analyse : χχ → b¯b, W+W−, τ+τ−, μ+μ−, νμ ¯ νμ. La troisième partie comporte une présentation du détecteur utilisé pour l’étude, le télescope à neutrinos ANTARES. Trois algorithmes de reconstruction développés et utilisés au sein de la collaboration y sont également détaillés : AAFit, BBFit et GridFit. L’analyse des données d’ANTARES ayant pour but de mettre en évidence un excès de neutrinos caractéristique de l’auto-annihilation de matière noire est résumée dans le sixième et dernier chapitre. Aucun excès n’ayant été observé, une limite sur la section efficace d’auto-annihilation de matière noire a été déterminée. / The first part of this document summarizes the astrophysical arguments to suppose the existence of dark matter. The cosmological model ΛCDM is presented as well as the concept of cross section of dark matter self-annihilation. Dwarf galaxies satellites of the Milky Way, the sources of our study are introduced into a second chapter. After recalling the large structures that make up the universe, the issues related to dwarf galaxies are addressed : missing satellites problem, distribution of dark matter density within them and tidal forces due to the Milky Way. The second part discusses the modeling of the dark matter density in dwarf galaxies. The methodology, using the Jeans equation and dispersion of projected stars velocities, is presented. Three dark matter profiles are retained : NFW, Burkert and Einasto and fifteen dwarf galaxies.Neutrino production during the self-annihilation of dark matter is then addressed. The energy spectra of neutrinos are generated with PYTHIA software and compared with other results for the galactic center. Twenty-three assumptions of mass dark matter candidates are chosen, ranging from 25 GeV/c2 100 TeV/c2. Five self-annihilation channels are selected for analysis : χχ → b¯b, W+W− τ+τ− μ+μ− νμ ¯ νμ. The third part includes a presentation of the detector used for the study, the ANTARES neutrino telescope. Three reconstruction algorithms developed and used in collaboration are also detailed : AAFIT, BBFit and GridFit. The analysis of data ANTARES aimed to find a neutrinos excess characteristic of dark matter self-annihilation is summarized in the sixth and final chapter. No excess was observed, a limit on the cross section of dark matter self-annihilation was determined.

Le modèle ΛCDM permet de décrire avec une grande précision la plupart des présentes observations cosmologiques. Cependant, l'un de ses paramètres, σ 8, mesurant l'amplitude de fluctuations de la matière, présente une discordance entre sa valeur contrainte par le spectre de puissance angulaire du CMB de la mission Planck, les Cls, et celle déterminée à partir des amas SZ dans l'univers proche. Dans le présent travail on explore divers extensions du modèle ΛCDM comme origines possibles de cette anomalie. Pour tester les effets de ces extensions, nous avons effectué une analyse Monte Carlo on l'on compare les contraintes sur σ 8 à partir de ΛCDM avec celles résultantes de ces extensions, et ceci en utilisant principalement le spectre de puissance CMB seul ou combiné avec des comptages d'amas. Ces derniers sont basés sur différentes relations masse observables et couvrent différents redshift : des amas de rayons X dans l'univers local, des amas de la mission SZ Planck dans l'univers proche ou une estimation des amas détectés par leur richesse photométrique à partir du la future mission Euclid. Du fait qu'une mauvaise détermination de l'étalonnage de la masse des amas pourrait également être la raison de cette divergence, notre approche consistait, lorsqu'on combinait les deux sondes issues des amas et du CMB, à laisser le facteur d'étalonnage libre afin qu'il soit contraint comme les autres paramètres cosmologiques par les deux données. Dans le cas d'introduction de trois neutrinos massifs dégénérés, nous avons trouvé qu'ils n'ont aucun effet significatif sur la correction de l'écart entre les contraintes issues de comptage CMB et ceux issues des Xray ou SZ cluster. Nous avons ensuite permis à l'indice de croissance ƴ de varier. Nous trouvons une corrélation entre ƴ et le paramètre de calibration masse-observable des amas détectés par rayons X qui n'est pas affecté par la présence ou non des neutrinos massifs. [...] / The ΛCDM model has proved successful in describing to a high precision most of nowadays cosmological observations. However, one of its parameters, σ 8, measuring the present matter amplitude fluctuations, constrained from CMB angular power spectrum, the Cls, was found by the Planck mission, in significant tension with value constrained by SZ galaxy cluster counts in the near universe. In the present work we investigate extensions to ΛCDM model as possible origins behind this discrepancy. To test these extensions, we performed a Monte Carlo analysis to compare constraints on σ 8 in ΛCDM with constraints under these extensions, using mainly CMB Cls combined with cluster counts sample. The later were based on different mass observables relations and covered different redshift ranges: X-ray cluster in the local universe, SZ Planck mission clusters from the near universe or photometric richness estimated detected clusters from future high redshift upcoming Euclid alike mission. Because an improper determination of the calibration of cluster mass function could also be behind this discrepancy, our approach was, when combined with CMB, to leave the calibration factor free to vary and be constrained by data. Introducing three degenerate massive neutrinos, we found that they have no significant effect on fixing the discrepancy between CMB and Xray or SZ cluster counts. We then allowed the growth index ƴ to vary. We find a correlation in the confidence space between ƴ and the X-ray mass observable factor not affected by the presence of massive neutrinos, indicating that a modifying gravity is favored over massive neutrinos as a way to alleviate the tension. However, when a SZ cluster sample covering a larger redshift range was used, we found that the correlation between ƴ and the calibration factor, is constrained by the evolution of the growth through redshift and limited to a region where it cannot fix the discrepancy. [...]

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.