PSR B1259-63 ist ein Binärsystem in welchem ein Pulsar um einen massereichen Be-Stern kreist. Dieses System weist variable, nicht thermische Strahlung um den Periastron herum auf, welche vom Radiobereich bis zu sehr hohen Energien (engl. very-high-energy VHE; E > 100 GeV) sichtbar ist. Die vorliegende Dissertation präsentiert VHE Daten des Systems, gemessen in den Jahren 2005, 2006 b.z.w. vor und kurz nach dem Periastron im Jahr 2007. Diese Daten erweitern das Wissen um die Lichtkurve dieses Objektes über alle Phasen der Umlaufbahn. Diese Daten wurden mit den H.E.S.S. Teleskopen gewonnen. Gamma-Strahlung in einem Energiebereich von 0.5-70 TeV wurde gemessen. Von PSR B1259-63 wurde, unter Verwendung von 55 h Detektorzeit im Jahr 2007, VHE Strahlung mit einer Gesamtsignifikanz von 9.5 Sigma detektiert. Der monatliche Photonen-Fluss wurde vermessen was erstmals zu VHE Lichtkurvendaten noch weit vor dem Periastron führte. PSR B1259-63 wurde auch in den Jahren 2005 und 2006, weit weg vom Periastron, ueberwacht. Hierbei war kein signifikanter Ueberschuss an gamma-Strahlung über Untergrund zu verzeichnen. Die signifikante Detektion von VHE Photonen, die bei einer wahren Anomalie von -0.35 , also bereits 50 Tage vor dem Periastron, ausgesendet wurden, schliesst ein Szenario mit stellarer Scheibe als Zielmaterial für hadronische Wechselwirkungen als Hauptemissionsmechanismus eher aus. Weiters konnten innerhalb einer phänomenologischen Studie Hinweise gefunden werden, dass PSR B1259-63 ein periodischer VHE Strahler ist. Darüber hinaus wurden Modellrechnungen, die auf inverser Comptonstreuung (IC) von schockbeschleunigten Pulsarwindelektronen basieren, durchgeführt. Das dargestellte Modell berücksichtigt strahlungsfreie Verluste, die möglicherweise im Bereich, in dem der Pulsarwind terminiert wird, eine Rolle spielen. Die gefundenen Ergebnisse zeigen ein eigentümliches nicht radiatives Kühlverhalten um den Periastron, das die VHE Emission in PSR B1259-63 dominiert. / PSR B1259-63 is a binary system where a 48 ms pulsar orbits a massive Be star. The system exhibits variable, non-thermal radiation around periastron visible from radio to very high energies (VHE; E>100 GeV). This thesis presents VHE data from PSR B1259-63 as taken during the years 2005, 2006 and before as well as shortly after the 2007 periastron passage. These data extend the knowledge of the lightcurve of this object to all phases of the binary orbit. Observations of VHE gamma-rays with the H.E.S.S. telescope array were performed. Gamma-ray events in an energy range of 0.5-70 TeV were recorded. VHE gamma-ray emission from PSR B1259-63 was detected with an overall significance of 9.5 standard deviations using 55 h of exposure, obtained in 2007. The monthly flux of gamma-rays during the observation period was measured, yielding VHE lightcurve data for the early pre-periastron phase of the system for the first time. PSR B1259-63 was also monitored in 2005 and 2006, far from periastron passage, comprising 8.9 h and 7.5 h of exposure, respectively. No significant excess of gamma-rays is seen in those observations. The firm detection of VHE photons emitted at a true anomaly of -0.35 of the pulsar orbit, i.e. already ~50 days prior to the periastron passage, disfavors the stellar disc target scenario as a primary emission mechanism, based on current knowledge about the companion star''s disc inclination, extension, and density profile. In a phenomenological study indirect evidence that PSR B1259-63 could in fact be a periodical VHE emitter is presented using the TeV data discussed in this work. Moreover, model calculations based on inverse compton (IC) scattering of shock accelerated pulsar wind electrons were performed. The model presented accounts for non-radiative losses possibly at work in the region where the pulsar wind is shocked by stellar outflows. The presented results show a peculiar non-radiative cooling profile around periastron dominating the VHE emission.

Das Gebiet der bodengebundenen Gamma-Astronomie bietet Zugang zu Photonen im TeV-Energiebereich und hat sich in den letzten Jahrzehnten vor allem durch den Erfolg der abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Technik profiliert. In dieser Arbeit werden zwei dieser Cherenkov-Teleskop-Systeme, VERITAS und das zukünftige CTA, mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen in Hinblick auf deren Sensitivität auf hochenergetische Gammastrahlung (E > 50 GeV) untersucht. Besonderes Augenmerk wird hierbei auf die Beobachtungsmöglichkeit mit CTA unter Mondlicht gelegt. Es wird gezeigt, dass dadurch eine Beobachtungszeitverlängerung um etwa 30% ohne signifikante Sensitivitätsverluste erreicht werden kann, was besonders wichtig für zeitlich variable Quellen ist. Eine dieser variablen Quellklassen sind aktive Galaxienkerne, welche zur Zeit etwa ein Drittel der bekannten hochenergetischen Gammastrahlungsquellen repräsentieren. Die meisten davon sind Blazare, deren Emission durch nicht-thermische Strahlung aus gebündelten Strömen von Materie und Energie (sogenannten Jets) dominiert wird. Diese Jets breiten sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit aus und sind in Sichtlinie des Betrachters ausgerichtet. Der Blazar B2 1215+30 wurde zwischen 2008 und 2012 mit VERITAS fast 100 Stunden beobachtet. Die Datenanalyse, welche in dieser Arbeit präsentiert wird, weist die Quelle mit einer Signifikanz von neun sigma nach und offenbart Langzeitvariabilität mit einem hellen Flusszustand im Jahr 2011. Multi-Wellenlängen-Daten werden verwendet um die spektrale Energieverteilung von B2 1215+30 zu konstruieren, welche gut mit einem leptonischen Ein-Zonen-Modell beschrieben werden kann. Das verwendete Modell wird im Detail vorgestellt und mögliche Einschränkungen an den Modellparameterraum untersucht. Die Ergebnisse der Modellierung von B2 1215+30 werden diskutiert und in Zusammenhang mit anderen bekannten hochenergetischen Gammastrahlen-Blazaren gesetzt. / Ground-based gamma-ray astronomy, which provides access to photons in the TeV energy range, has been a rapidly developing discipline over the past decades. In this thesis, the performance of the current- and next-generation imaging atmospheric Cherenkov telescopes VERITAS and CTA is evaluated using Monte Carlo simulations. Special emphasis is given to the possible extension of the duty cycle of CTA. It is shown that an increase of about 30% in observation time can be achieved through operation under partial moonlight without significant losses in performance. The increased observation time is especially important when studying astronomical objects which are variable at very high energies (VHE; E>50 GeV), such as active galactic nuclei (AGN), as this allows the extension of monitoring or multi-wavelength campaigns on these occasionally flaring sources. AGN represent to date about one third of the population of known VHE gamma-ray sources. Most of them are blazars, whose emission is dominated by non-thermal radiation of relativistic jets closely aligned to the line of sight of the observer. The blazar B2 1215+30 has been observed by VERITAS for nearly 100 hours between 2008 and 2012. The data analysis presented in this thesis yields a detection significance of 9.0 sigma and shows long-term variability with a relatively bright flux state in 2011. Multi-wavelength data are used to construct the spectral energy distribution of B2 1215+30 which is well described by a one-zone leptonic model. The model is presented in detail and possible constraints are investigated. The results of the modeling are discussed and put in context with other VHE-detected blazars.

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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.

Der TAIGA Detektor (“Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy”) testet eine neue Nachweismethode der erdgebundenen Cherenkov Gamma Astronomie fuer 10TeV bis einige PeV, und fuer kosmische Strahlung oberhalb 100TeV: die Kombination abbildender und nicht-abbildender Cherenkov Detektoren in einem hybriden System. Im Fokus der Arbeit steht TAIGA-HiSCORE - ein Cherenkov Detektorfeld mit grosser Apertur zur Messung der Zeitstruktur der Cherenkovlichtfront in atmosphaerischen Luftschauern (EAS). Die Praezisonsvermessung der Schauerrichtung basiert auf (1) sub-nsec Zeitsynchronisation aller Detektoren, und (2) einer neuentwickelten Zeitkalibrationsmethode. Die Genauigkeit wird bestimmt mit experimentellen und simulierten EAS-Daten, spezieller LED-Kalibration und dem LIDAR Laserstrahl aus der International Space Station (ISS). Mit den HiSCORE9 Daten (2013-2014) wird die sub-nsec Zeitsynchronisation durch das White Rabbit Zeitsystem unter realen Bedingungen nachgewiesen. Eine neue, auch fuer grosse Cherenkov-Detektorfelder praktikable Zeitoffset-Kalibration aller Detektoren wurde entwickelt, und fuer HiSCORE28 (2015-2018) angewandt. Diese hybride Kalibration basiert auf EAS-Ereignissen und direkter LED-Kalibration fuer lediglich eine begrenzte Zahl von Detektoren. Die Genauigkeit der Luftschauer-Richtungsrekonstruktion wird ueber die “Schachbrett-Methode” MC-unabhaengig bestimmt zu 0.4° an der Energieschwelle (50TeV) und <= 0.2° fuer > 100TeV. Eine wichtige Zufallsentdeckung war mit HiSCORE28 moeglich: der Laser des ISS-CATS-Lidars wurde in richtungsrekonstruierten Daten von HiSCORE28 nachgewiesen. Mit den “ISS Ereignissen” gelang es, sowohl die Rekonstruktionsgenauigkeit von HiSCORE, als auch das “absolute pointing” zu messen (<=0.1°) - besonders wichtig, da eine starke Gamma-Quelle im Datensatz bisher nicht nachgewiesen wurde. Im Schlussteil der Arbeit wird ein Methode zur Punktquellensuche im gesamten Gesichtsfeld von TAIGA-HiSCORE vorgestellt. / The TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy) detector is a new ground-based Cherenkov detection technology for gamma-astronomy from 10TeV up to several PeV, and cosmic rays (CR) above 100TeV. The main topic of this work is TAIGA-HiSCORE, the wide-aperture air Cherenkov timing array. The focus is on precision extensive air shower (EAS) arrival direction reconstruction, achieved by (1) sub-nsec time-synchronization between the array stations, and (2) a newly developed array time calibration procedure. The performance is verified using simulated and experimental data from EAS, dedicated LED calibration, and a LIDAR laser beam from the International Space Station (ISS). The analysis of the HiSCORE 9 data (2013-14), collected with a data acquisition system (DAQ) based on the White Rabbit (WR) timing system, allows to verify the sub-nsec time synchronization between the array stations. The analysis of HiSCORE 28 data (2015-2018) addresses the problem of achieving an easy-to-perform time calibration for large area ground-based Cherenkov array. A new "hybrid" calibration method is developed, which makes use of EAS data, and requires direct LED calibration of only a few array stations. The "chessboard" method is applied on the reconstructed data to obtain a MC-independent estimation of the detector angular resolution, found to be 0.4° at threshold (~50TeV) and <= 0.2° above 100TeV. A serendipitous discovery was made in this work: a signal from the CATS-LIDAR on-board the ISS was found in the HiSCORE 28 data. These "ISS-events" are used to verify the detector performance, in particular the absolute angular pointing (<= 0.1°), particularly important since a strong gamma point source has not yet been detected by the TAIGA-HiSCORE. The final part of the work presents a first preliminary approach to a wide aperture point source analysis, developed for the TAIGA-HiSCORE in stand-alone operation.

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.

Cell adhesion to extracellular matrix proteins mediates resistance to radio- and chemotherapy by activating integrin signaling. In addition, mutual and cooperative interactions between integrin and growth factor receptor signaling contribute to the cellular radiation response. Here, we investigate to which extend the crosstalk between β1 integrins and growth factor receptor signaling determines the cellular radiation response of fibroblasts by assessing clonogenic survival and cell cycling. By utilizing growth factor signaling competent and either β1 integrin wildtype GD25β1A fibroblasts or β1 integrin mutant, signaling incompetent GD25β1B fibroblasts, we show basal clonogenic survival to depend on growth factor receptor but not integrin signaling. Our data further suggest the cooperation between β1 integrins and growth factor receptors to be critical for enhancing the radiation-induced G2/M cell cycle block leading to improved clonogenic radiation survival. By pharmacological inhibition of EGFR and PI3K, we additionally show that the essential contribution of EGFR signaling to radiogenic G2/M cell cycle arrest depends on the co-activation of the β1 integrin signaling axis, but occurs independent of PI3K. Taken together, elucidation of the signaling circuitry underlying the EGFR/β1 integrin crosstalk may support the development of advanced molecular targeted therapies for radiation oncology.