Unter den Methoden zur Suche nach Neutrino Ereignissen in IceCube versprechen Suchen nach Teilchenschauern, sogenannten Kaskaden eine gute Energieauflösung und einen verhätlnismässig geringen atmosphärischen Untergrund. Dadurch erreichen solche Suchen eine hohe Sensitivität für einen extraterrestrischen Neutrino Fluss. Bisher beschränkte sich die Suche nach solchen Ereignissen auf solche in einer inneren Region des IceCube Detektors. Das Detektorvolumen am Rand wurde bisher benutzt um den Untergrund von einfallenden atmosphärischen Muonen zu Unterdrücken. Diese Dissertation präsentiert eine Analyse von 2 Jahren IceCube Daten und demonstriert die Möglichkeit, diese Veto Region für die Suche nach kaskadenartigen Ereignissen zu nutzen. Dadurch wird das nutzbare Detektorvolumen um « 80% vergrößert und die Statistik im hochenergetischen Bereich des Neutrino Spektrums durch das Hinzufügen von 18 Neutrino Kandidaten im Energiebereich von 34 - 578 TeV erhöht. Das Ergebnis ist in Übereinstimmung mit dem etablierten Nachweis eines extraterrestrischen Neutrino Flusses, eine reine Untergrund Hypothese kan mit 2.7 sigma verworfen werden und die Daten favorisieren einen extraterrestrischen Neutrino Fluss mit einem ungebrochen Potenzgesetz mit einem Index von γ ^ 2.50+-0.28 in guter Übereinstimmung mit bisherigen Ergebnissen von IceCube. / Among the analysis strategies used in IceCube, searches for neutrinoinduced particle showers, so called cascades, provide good energy resolution and a relative low atmospheric background. Therefore, they provide large sensitivity to the extraterrestrial neutrino flux. Previously, these searches have been constrained to neutrino interactions in a center region of the instrumented volume. The volume at the border and surrounding the detector was needed to veto the incident atmospheric muon background. This dissertation presents an analysis of two years of IceCube data and demonstrates the feasibility of using the veto region for cascade searches. This increases the usable detector volume by « 80% and improves the statistic in the high-energy tail of the neutrino spectrum by adding 18 neutrino candidates in the energy range from 34 to 576 TeV. The result is supports the established evidence for the extraterrestrial neutrino flux by rejecting the pure atmospheric background hypothesis at the 2.7 sigma level, the data prefers an extraterrestrial neutrino flux with a featureless power law with an index of γ^2.50+-0.28 well in agreement with previous IceCube results.

In dieser Dissertation werden Daten aus drei Jahren vom vollständig fertiggestellten IceCube-Detektor benutzt um nach Neutrinos zu suchen, die in Dunkle-Materie-Annihilationen in fünf nahegelegen Zwerggalaxien, der M31 Galaxie und dem Virgo Galaxienhaufen produziert wurden. Um die Messung durchzuführen, wurde zunächst eine Ereignis-Selektion angewandt, die es ermöglicht, die von aus der Atmosphäre stammenden Teilchen dominierte Rate der Ereignisse von zirka 100 Hz auf 0.5 mHz zu reduzieren. Danach wird eine Maximum-Likelihood-Schätzer eingesetzt um zu bestimmen ob es ein Überschuss von Neutrinos aus der Richtung der jeweiligen Quellen gibt, der mit einen Energie-Spektrum übereinstimmt das mann für Dunkle-Materie-Annihilationen erwartet. Für die M31 Galaxie und den Virgo Galaxienhaufen wurde zusätzlich zu dieser Suche nach einer Punktquelle auch eine Suche für ein erweitertes Signal durchgeführt. In allen untersuchten Fällen ist das Ergebnis der Analyse vereinbar mit einer Messung der Hintergrund-Hypothese, und daraus wurden Limits für den über die Geschwindigkeit gemittelten Wirkungsquerschnitt für Dunkle-Materie-Annihilation für verschiedene Endprodukte bestimmt. Für hohe Dunkle-Materie-Massen gibt es ein Überschuss von Neutrinos aus drei der Zwerggalaxien. Dieser Überschuss hat einen globalen p-Wert von 4.9% und ist damit nicht statistisch signifikant. Die Suche für ein erweitertes Signal von der M31 Galaxie und dem Virgo Galaxienhaufen ergab keinen Überschuss. Die Limits auf den über die Geschwindigkeit gemittelten Wirkungsquerschnitt für Dunkle-Materie-Annihilation haben sich im Vergleich zu vorherigen IceCube-Analysen signifikant verbessert, um bis zu einer Größenordnung. Diese ist teilweise auf Grund Verbesserungen für diese Analyse besonders: eine verbesserte Ereignis-Selektion, und für die Analyse ist eine Maximum-Likelihood-Schätzer eingesetzt statt eine Analyse in ein Suchfenster. / In this thesis, three years worth of data from the completed IceCube detector is used to search for neutrinos produced in dark matter annihilations in five nearby dwarf galaxies, the M31 galaxy and the Virgo cluster. To do this, an event selection which was developed for this analysis is applied to the data sample to reduce the atmospheric background rate from approximately 100 Hz to less than 0.5 mHz. Then, an unbinned maximum likelihood method is used to determine whether there is an excess of neutrinos from the direction of the considered galaxies or galaxy cluster that has an energy spectrum that matches the spectrum expected from dark matter annihilations. For the M31 galaxy and the Virgo cluster an extended signal with a two-dimensional Gaussian shape and width up to 5 degrees is also considered. In all cases, the results of the analysis are compatible with the background-only hypothesis and limits are set on the velocity-averaged dark matter annihilation cross section for different annihilation channels. For high dark matter masses there is an excess of neutrinos from three of the five dwarf galaxies. This excess has a global p-value of 4.9%, so it is not statistically significant. The search for an extended emission from the direction of the M31 galaxy and the Virgo cluster also did not result in an excess: in both cases the global p-value is larger than 50%. The limits on the velocity-averaged dark matter annihilation cross section have improved significantly (up to an order of magnitude) with respect to the previous IceCube analysis considering these same targets. This is partially due to improvements to this analysis specifically: an improved event selection was used to select the final data sample and an unbinned maximum likelihood method was used for the final analysis instead of a binned analysis method.

Blazare sind aktive galaktische Kerne mit relativistischen Plasmajets, deren Symmetrieachse in Richtung Erde zeigt. Sie sind primäre Kandidaten für die Produktion von hochenergetischen Neutrinos. Diese Arbeit umfasst die Suche nach einem kumulativen Neutrinofluss von allen 862 Fermi-LAT 2LAC Blazaren und vier spektral ausgewählten Unterpopulationen. Selektierte Myonspuren aus drei Jahren IceCubedaten werden mit einer ungebinnten "Stacking"-Punktquellenanalyse untersucht. Zwei unterschiedliche Gewichtungen werden benutzt, um den unbekannten relativen Anteil jeder Quelle am Gesamtneutrinofluss der jeweiligen Population zu berücksichtigen. Neun der zehn resultierenden Tests zeigen leichte Überfluktuationen, von denen keine statistisch signifikant ist. Das Ergebnis erlaubt es, den Maximalanteil der 2LAC-Blazare zum kürzlich entdeckten astrophysikalischen TeV-PeV Neutrinofluss auf 23% einzuschränken. Diese Grenze gilt unter der Annahme des momentan favorisierten Spektralindex des astrophysikalischen Neutrinoflusses von -2.5 und bei einem Flavorverhältnis von 1:1:1 bei Erreichen der Erde. Die Ergebnisse erfordern keine rein hadronische Produktion der beobachteten Gammastrahlung und bleiben, bis auf einen Faktor zwei, für moderat härtere Spektren oder für kleinere Unterpopulationen, wie z.b. die GeV-detektierten TeVCat Quellen, gültig. Zusätzlich werden obere Flussgrenzen für generische Spektren, die einem Potenzgesetz folgen, sowie für konkrete spektrale Modelle der diffusen Neutrinoemission von Blazaren, ausgerechnet. 12 von 14 dieser Modelle können eingeschränkt oder ausgeschlossen werden. Wenn die größte Überfluktuation als physikalischer Effekt interpretiert wird, findet man einen weichen Fluss in der 5-10 TeV Region, welcher mit Gammastrahlenbeobachtungen kompatibel ist. Mehr Daten sind bereits verfügbar und erlauben es, dieses Szenario in der nahen Zukunft zu testen. / Blazars are active galactic nuclei with relativistic plasma jets whose symmetry axis is pointing towards Earth. They are a prime source candidate for the production of high-energy neutrinos. This work describes the search for a cumulative neutrino flux from all 862 Fermi-LAT 2LAC blazars and four spectrally defined sub-populations. Selected muon-track events from three years of IceCube data are analyzed with an unbinned likelihood stacking approach. Two different weighting schemes are used to account for the unknown relative flux contributions of each source. Nine of ten tests show slight overfluctuations, none of which are statistically significant. An upper flux limit is calculated constraining the maximal contribution of the 2LAC blazars to the recently discovered diffuse TeV-PeV neutrino flux to be 23% or less assuming the currently favored spectral index for the astrophysical flux of around −2.5 and an equal composition of neutrino flavors arriving at Earth. The results do not require a purely hadronic production of the observed gamma rays and remain valid for moderately harder spectra or smaller sub-populations, e.g. the TeVCat sub-sample, up to a factor of around 2. Additionally, upper limits are calculated for generic power-law spectra and for concrete spectral models of the diffuse neutrino emission of blazar populations. 12 out of 14 of these models are either constrained or excluded. If the largest overfluctuation is interpreted as a physics effect, one finds a soft flux in the 5-10 TeV region that is compatible with gamma-ray observations. Further years of data are already available which makes this scenario testable in the near future. If confirmed, blazars might become the first known extragalactic hadronic acceleration site.

Galaktische und extra-galaktische Objekte sind in der Lage geladene Teilchen (die kosmische Strahlung) zu sehr hohen Energien zu beschleunigen. Allerdings sind noch viele Fragen bezüglich dieser Objekte und der Beschleunigungsmechanismen offen. Sowohl Gammastrahlung als auch Neutrinos werden von den Quellen kosmischer Strahlung erwartet. Ihr Nachweis ermöglicht die Studie dieser kosmischen Teilchenbeschleuniger. Gammastrahlung wurde von galaktischen und extra-galaktischen Objekten beobachtet. Für viele dieser Objekte ist es jedoch nicht eindeutig ob diese Gammastrahlung ein Resultat der Beschleunigung kosmischer Strahlen ist. Für Neutrinos besteht diese Zweideutigkeit nicht, sie sind eindeutige Spuren der Beschleunigung kosmischer Strahlen. Der Südhimmel beheimatet viele galaktische Objekte von denen Gammastrahlung im GeV und TeV Bereich beobachtet wird. Die Detektion von Neutrinos wäre ein Beweis für die Beschleunigung kosmischer Strahlung. Der Nachweis dieser Neutrinos mit IceCube wird durch den großen Untergrund von atmosphärischen Myonen erschwert. Die hier verwendete Analyse ist auf die Selektion von Myonspuren aus Wechselwirkungen von Myonneutrinos im Detektorvolumen spezialisiert. Energieverlust und Richtung der resultierenden Myonspur wird rekonstruiert. Diese Informationen werden verwendet um nach potentiellen Quellen astrophysikalischer Neutrino im Rahmen einer ungebinnten Likelihoodanalyse zu suchen. Daten die zwischen 2011 und 2015 mit IceCube genommen wurden werden für diese Analyse verwendet. Der Fokus liegt auf Neutrinos mit Energien zwischen ein paar TeV und 100 TeV. In diesem Energiebereich wird die Sensitivität für die Detektion einer Neutrinopunktquelle um einen Faktor zwei (oder besser) verbessert. Die Resultate für eine Liste von 96 Quellkandidaten und für eine offene Suche am gesamten Südhimmel werden präsentiert. Es wurde keine signifikante Abweichung von der Untergrundhypothese gefunden. Daraus resultieren Limitationen für Neutrinoemissionen. / There are accelerators in the universe that can accelerate charged particles (cosmic rays) to very high energies. Many questions regarding these accelerators are still open. Gamma rays and neutrinos are particles expected from sites of cosmic ray acceleration and can be used to study the environment and acceleration mechanisms of these sites. While sources for both galactic and extra-galactic gamma rays have been observed, it is often unclear whether these gamma rays are by-products of cosmic ray acceleration. This ambiguity does not exist for neutrinos. An astrophysical neutrino flux has been measured by the IceCube detector. Single sources have not been resolved yet. The part of the sky visible from the southern hemisphere hosts many galactic sources observed in GeV and TeV gamma-rays. Detection of neutrinos from these sources would identify them as acceleration sites and lead to a better understanding of the environment of the acceleration sites and the acceleration mechanisms. However, this is difficult due to the vast background of atmospheric muons also detected in the IceCube detector. For this thesis, a data selection was developed that reduces this background by using parts of the detector as veto. This selection focuses on the selection of muon-tracks from muon-neutrino interactions inside the detector volume. The direction and the energy-profile of these tracks can be reconstructed. This information is used to search for potential sources using an unbinned likelihood method. This analysis uses data taken between 2011 and 2015. In contrast to earlier IceCube analyses this analysis is optimized for energies between a few TeV and 100 TeV and improves the sensitivity of the detector for a point-like source by factor of two (or better) in this energy range. Results for a list of 96 sources observed in TeV gamma-rays and a sky-scan are presented. No significant overfluctuation has been observed and limits on the neutrino emission of the sources are given.

Die bodengebundene Gammaastronomie beschäftigt sich mit der Detektion von Photonen mit Energien >10GeV mittels der abbildenden Cherenkov-Technik. Dabei wird die Atmosphäre als Detektor verwendet: Photonen in diesem Energiebereich produzieren in ihr Teilchenschauer, die Cherenkov-Licht aussenden. Das Licht wird von Teleskopen gesammelt um Abbildungen der Schauer zu erhalten, aus denen Eigenschaften der Gammaquanten abgeleitet werden können. Da die Schauer statistischen Prozessen unterliegen, ist die Rekonstruktion der Richtung des Gammaquants durch Fluktuationen begrenzt. Die Qualität der Rekonstruktion hängt von der Energie des Quants, Beobachtungsbedingungen, Teleskop-Eigenschaften und der Rekonstruktionsmethode ab. Die Präzision der Richtungsrekonstruktion einzelner Gammaquanten wird als Winkelauflösung bezeichnet. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Winkelauflösung der vier Teleskope von HESS, die für bodengebundene Gammaastronomie im Energiebereich >100GeV verwendet werden. Es werden systematische Fehler der Winkelauflösungsfunktion und ihre Abhängigkeiten von Beobachtungsparametern mit Beobachtungsdaten und Simulationen abgeschätzt. Abweichungen der simulierten Auflösung von der mit HESS an Hand von Punktquellen gemessenen werden in dieser Arbeit identifiziert und quantifiziert, um mit einer korrigierten Funktion zwei Phänomene zu studieren: Erstens wird die Ausdehnung des Krebsnebels im TeV-Bereich untersucht, für die Werte bis ca. 0.03º vorausgesagt werden. Es werden die Beobachtungen des Nebels selektiert, die eine gute Auflösung und Kontrolle des systematischen Fehlers versprechen. Auf einem Konfidenzniveau von 95% wird die Obergrenze der Ausdehnung des Nebels damit zu 0.034º bestimmt. Zweitens wird nach ausgedehnter Emission um Aktive Galaxienkerne (AGN) gesucht. Verschiedene Modell-Vorhersagen werden mit den HESS-Daten dreier AGN verglichen - die so erzielten Obergrenzen auf den Fluss sind die niedrigsten bisher veröffentlichten im TeV-Bereich. / Very-high-energy (VHE) gamma-ray astronomy deals with the ground-based detection of photons with energies of tens of GeV to few 100 TeV by employing the Imaging Air Cherenkov Technique (IACT). This method uses the atmosphere as a detector for VHE gamma-rays, exploiting that photons in that energy range produce particle showers in it. The showers emit Cherenkov light, which is collected by telescopes to image single showers. Properties of the gamma-rays can be deduced from the shower images. However, the interactions in the atmosphere are statistical processes, imposing a limit on the direction reconstruction. The quality of the reconstruction depends on the energy of the primary particle, telescope properties, observational conditions and reconstruction algorithm. The precision of the direction reconstruction of single photons is called the angular resolution. In this work, the angular resolution function of the IACT experiment HESS is studied in detail. HESS consists of five telescopes, four of which were built for the energy range >100 GeV. For this sub-array, the systematic errors on the angular resolution and their dependence on observation parameters are estimated from known point sources in HESS data and Monte-Carlo simulations. A mismatch between HESS data and simulations is quantified and corrected to assess two phenomena: First, the size of the the Crab Nebula at VHE is investigated. Some models predict a size of the emission region of more than 0.03º. Including a detailed accounting of the systematic errors, an upper limit on the size of emission region of the nebula is given by 0.034º at a 95% confidence level. Second, extended emission around Active Galactiv Nuclei is searched for. Various models are probed with HESS data and the most constraining upper limits on the so-called pair halo scenario are found. Assuming a different model, extra-galactic magnetic field strengths in the range of (0.1 - 10)* 10^{-15} G are excluded at a 99% confidence level.

Aktive galaktische Kerne (AGN) gehören zu den besten Quellkandidaten der hochenergetischen kosmischen Strahlung. Es wird erwartet, dass hochenergetische Neutrinos durch Interaktion der kosmischen Strahlung mit Materie oder Photonfeldern in der Nähe der Quellen erzeugt werden. Der resultierende Neutrinofluss kann dieselbe Zeitvariabilität aufweisen wie elektromagnetische Strahlung die von diesen Quellen emittiert wird. Diese Zeitvariabiltät kann in Neutrinoanalysen zusätzlich zu Energie-und Ortsinformationen benutzt werden, um die Detektionswahrscheinlichkeit zu erhöhen. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei neue Methoden entwickelt, welche benutzt werden um nach Neutrino-flares in Aktiven Galaktischen Kernen zu suchen: Die Multi-flare und Multi-flare-Stacking-Methode. Die Multi-flare-Methode ist so entworfen, dass sie nicht nur sensitiv auf einen hellen Flare ist, sondern auch auf weitere schwächere Flares welche normalerweise individuell nicht detektiert werden können. Die Multi-Flare-Methode benötigt keine Zeitkoinzidenz mit Ausbrüchen im elektromagnetischen Spektrum. Sie ist auch sensitiv auf unkorrelierter Neutrinoemission mit unterschiedlicher Dauer der einzelnen Flares, was in einigen Emissionsmodellen vorkommt. Die Multi-Flare-Stacking-Methode ist eine Erweiterung der Multi-Flare-Methode auf zusätzliche Quellen. In ihr werden mehrere schwache, variable Quellen, welche individuell zu schwach sein können um detektiert zu werden, zusammen mit der Stackingmethode analysiert. Die beiden Analysemethoden werden auf eine vorselektierte Liste von Aktiven Galaktischen Kernen angewandt. Hierfür werden drei Jahre Daten des IceCube Neutrinoteleskops verwendet (Mai 2009-June-2012). Kein statistisch signfikanter Neutrinoflare wurde gefunden und obere Fluenzgrenzen f ̈ur jede der Quellen werden ausgerechnet. Diese Grenzen sind im Durchschnitt um einen Faktor zwei besser als vorherige Obergrenzen von Analysen einzelner Flares. / Active Galactic Nuclei are among the best candidate sources for high-energy cosmic rays. High-energy neutrinos are expected to be produced in these sources via interactions of cosmic rays with matter or photon fields present in the source vicinity. The resulting neutrino flux may exhibit time variability on the same time scales than the ones observed in the electromagnetic radiation that is emitted from these sources. Time variability can be taken into account in high-energy neutrino searches in order to increase their detection probability with respect to search methods that include only energy and spatial information. In this work, two new methods are developed to look for high-energy neutrino flares emitted from Active Galactic Nuclei: the Multi-flare and Multi-flare stacking method. The Multi-flare method is designed to be sensitive not only to one bright flare emitted from a single source, as considered in other existing search methods, but also to several weak flares that might not be detected individually. This is achieved by developing a likelihood stacking approach that analyzes the cumulative neutrino emission from several flares. This method does not assume a-priori time coincidences with photon flares observed in the electromagnetic spectrum, allowing uncorrelated neutrino emission with different flare durations as considered in some emission models. The Multi-flare stacking method is an extension of the Multi-flare method to include several sources that might be too weak for individual detection. The two search methods are applied to a pre-selected list of Active Galactic Nuclei using data of the IceCube Neutrino Observatory (May-2009 to May 2012). No statistically significant neutrino flares are detected and fluence upper limits are calculated for each selected source. These limits are on average a factor of two better than previous upper limits from single-flare searches.

Die hier vorgestellte Analyse nutzt die MAGIC Teleskope, zwei abbildende Cherenkov-Teleskope, zum Vermessen des Elektronenflusses. Der Energiebereich dieser Teleskope überschneidet sich großflächig sowohl mit dem der Satellitenmissionen Fermi-LAT und AMS-02 als auch mit den hochenergetischen Messungen der Cherenkov-Teleskope VERITAS und H.E.S.S.. Diese Arbeit hat das Elektronenspektrum im Bereich von 135 GeV bis 4 TeV mittels der MAGIC Teleskope vermesssen. Das Spektrum lässt sich in diesem Bereich mit einem einfachen Potenzgesetz mit dem Index -3.14+-0.05(stat)+-0.5(syst) beschrieben werden. Die für diese Messung entwickelte Analyse weicht grundlegend von der Standardanalyse in MAGIC ab. Die Differenzierung von Signal und Untergrund kann nicht anhand der Richtung der eintreffenden Teilchen vorgenommen werden. Stattdessen basiert die Differenzierung auf einem Algorithmus für maschinelles Lernen, welcher eine Unterscheidung zwischen elektromagnetischen und hadronischen Luftschauern ermöglicht. Der Untergrund muss für diese Analyse anhand von Monte Carlo Simulationen geschätzt werden. Dafür wurden Protonen simuliert. Zudem liegt ein Schwerpunkt der Arbeit auf der Abschätzung systematischer Fehler und Unsicherheiten der neuen Analyse. Erwartungsgemäß sind die Unsicherheiten dieser indirekten Messmethode deutlich größer als bei direkten Messungen der Satellitenexperimente. Aufgrund der großen Unsicherheiten kann ein Bruch bei 800 GeV jedoch auch nicht ausgeschlossen werden. Die hier präsentierte Messung stimmt innerhalb der Fehler mit den Ergebnissen von AMS-02 und Fermi-LAT sowie innerhalb von zwei Standardabweichungen mit den Messungen von H.E.S.S. und VERITAS überein. Eine Interpretation des Elektronenflusses gestaltet sich aufgrund des großen Fehlers als schwierig. Im Endeffekt kann keine der potentiellen neuen Quellen kosmischer Elektronen ausgeschlossen werden. / The measurement presented in this thesis seeks to provide an increased overlap of the Fermi-LAT and AMS-02 measurement, as well as the very-high-energy H.E.S.S. and VERITAS measurement. The MAGIC telescopes, a stereoscopic system of imaging air-shower Cherenkov telescopes, are a good candidate for such a measurement. They overlap largely with the Fermi-LAT energy range, down to 130 GeV, and extend into the energy range of the H.E.S.S. system, extending the measurement up to 4 TeV. The measurement performed in this thesis uses a non-standard method developed especially for this analysis. It is based on a machine-learning-algorithm which differentiates between hadronic and electro-magnetic air showers. The background needs to be simulated from Monte Carlo protons, which were produced in large quantities for this thesis. As this is an indirect detection method, the systematic uncertainties are much larger than those of the satellite missions. A detailed study of the systematic uncertainties was performed in the scope of this thesis, which prove to be much larger than the statistical uncertainties. The measured spectrum presented here extends from 135 GeV up to 4 TeV. It shows no clear break in the spectrum and is in line with an extension of the single power-law observed by Fermi-LAT and AMS-02. A broken power-law interpretation was disfavored when compared to the single power-law. The final spectrum has a powerlaw index of -3.14+-0.05(stat)+-0.5(syst). Due to the large uncertainties no definitive conclusion can be given at this point. Also, the cutoff seen by H.E.S.S. can not be ruled out. The result presented in this thesis is compatible with the Fermi-LAT and AMS-02 results, however there is minor tension with the H.E.S.S. and VERITAS results around 4 TeV. The limiting factor of the method is the large systematic uncertainty, making it impossible to distinguish between different electron sources for the results presented in this thesis.

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

Diese Arbeit präsentiert Ergebnisse einer Suche nach einem diffusen Fluss hochenergetischer, extraterrestrischer Neutrinos. Solch ein Fluss wird von verschiedenen Modellen zur Entstehung kosmischer Strahlung vorhergesagt. In einem Neutrinodetektor wie IceCube stehen im wesentlichen zwei Signaturen zum Nachweis der Neutrinos zur Verfügung: Das spurartige Lichtsignal eines neutrinoinduzierten Myons und das sphärische Lichtmuster eines neutrinoinduzierten Teilchenschauers, hier Kaskade genannt. Gesucht wurden neutrinoinduzierte Kaskaden mit Hilfe des IceCube-Neutrinodetektors. Die Daten stammen aus der Zeit von 2008 mit 367 Tage Messzeit. In dieser Zeit befand sich der Detektor noch im Aufbau und hatte etwa die Hälfte seiner Größe erreicht. Eine Neutrinoflusssuche mittels Kaskaden ist sensitiv auf alle Neutrinoflavors. Da sich die Kaskaden nur über wenige Meter ausdehnen, ist anders als bei den kilometerlangen Myonspuren, eine gute Energierekonstruktion möglich. Dadurch kann der astrophysikalische Neutrinofluss vom atmosphärischen Neutrinountergrund statistisch unterschieden werden. In der Simulation von neutrinoinduzierten Kaskaden wurde bisher nicht berücksichtigt, dass innerhalb einer hadronischen Kaskade auch Myonen erzeugt werden. Dieses kann die Form der Kaskade dahingehend beeiflussen, dass die sphärische Symmetrie abnimmt. Daher wurde der Effekt in dieser Arbeit parametrisiert und der Simulation hinzugefügt. Weiter wurden Schnitte auf die Ereignistopologie und rekonstruierte Energie entwickelt, welche den Untergrund aus atmosphärischen Myonen und atmosphärischen Neutrinos reduzieren. Vier der gemessenen Ereignisse passieren diese Schnitte. Aufgrund der hohen systematischen Fehler ist dieses Ergebnis mit einer Untergrunderwartung von 0.72+/-0.28+1.54-0.49 Ereignissen verträglich. Unter der Annahme eines Flavorverhältnisses von 1:1:1 bestimmt sich daraus die obere Grenze für den Neutrinofluss zu 9.5*10^-8 E^-2 GeV/s/sr^/cm^2. / This thesis presents results of a search for a diffuse flux of high energetic neutrinos from extra-terrestrial origin. Such a flux is predicted by several models of sources of cosmic ray particles. In a neutrino detector, such as IceCube, there are mainly two signatures available for detection of neutrinos: The track-like light signal of a neutrino induced muon and the spherical light pattern of a neutrino induced particle shower, called cascades in this context. The search is based on the measurement of neutrino induced cascades within the IceCube neutrino detector. The data were taken in 2008/2009 with a total uptime of 367 days. At that time the detector was still under construction and had just reached half of its final size. A search for a neutrino flux using cascades is sensitive to all neutrino flavors. A cascade develops within few meters, in contrast to the muon track of several kilometers length. Therefore a good energy reconstruction is possible. With such a reconstruction the astrophysical neutrino flux can be statistically distinguished from the background of atmospheric neutrinos. In the simulation of cascades so far it was not included, that in hadronic cascades muons are produced. This can influence the shape of the cascade, to a less spherical one. Therefore the effect was parameterized in this thesis and included in the simulation. Further cuts on the event topology and reconstructed energy were developed, in order to reduce the background of atmospheric muons and atmospheric neutrinos. Four events from the measured data pass these cuts. Taking the high systematic uncertainties into account, this result is in agreement with the expected background of 0.72+/-0.28+1.54-0.49 events. For an assumed flavor ratio of 1:1:1$ the upper limit for the all flavor neutrino flux is 9.5*10^-8 E^-2 GeV/s/sr/cm2.

IceTop ist ein Luftschauerdetektor am geographischen Südpol und die Oberflächenkomponente des Neutrinoteleskops IceCube. Seit der Fertigstellung im Dezember 2010 besteht IceTop aus 81 Detektorstationen auf einer Fläche von einem Quadratkilometer. Die vorliegende Dissertation umfasst eine Analyse von Daten, die im Jahr 2007 mit den 26 damals installierten Stationen genommen wurden. Dazu wurden zunächst Schauerposition und -richtung und ein Maß für die Größe des Schauers aus den Signalen rekonstruiert. Der Zusammenhang zwischen Primärenergie und Schauergröße wurde aus Monte-Carlo-Simulationen bestimmt. Dabei wurde eine Annahme über die chemische Zusammensetzung der kosmischen Strahlen gemacht. Damit wurde das Spektrum der Schauergrößen entfaltet um das Energiespektrum zu bestimmen. Dies wurde getrennt für verschiedene Zenitwinkelbereiche durchgeführt. Das Resultat der Entfaltung hängt von der angenommenen Massenkomposition ab. Die Ergebnisse, der Entfaltung in verschiedenen Zenitwinkelintervallen, müssen übereinstimmen, wenn man Isotropie der komischen Strahlung voraussetzt. Es wurde bereits gezeigt, dass dies ausgenutzt werden kann, um die möglichen Annahmen über die Zusammensetzung einzugrenzen. Eine gute Übereinstimmung von Spektren aus verschiedenen Zenitwinkelbereichen wird unter der Annahme von reinen Protonen als Primärteilchen gefunden, sowie für eine Mischung aus Protonen und Eisen mit einem hohen Protonanteil bei niedrigen Energien und einer Mehrheit von Eisen bei hohen Energien. Unter diesen Annahmen ergibt sich die Position des Knies im Spektrum zu 3,97 bis 4,20PeV. Der spektrale Index unterhalb des Knies ist etwa -2,7 und oberhalb des Knies variiert er zwischen -3,08 und -3,15. Reines Eisen auf der anderen Seite kann mit sehr großer Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden. Unabhängig von der Annahme über die Zusammensetzung wird oberhalb von etwa 30PeV ein Abflachen des Spektrums mit einem Index von etwa -3,0 beobachtet. / IceTop is an air shower array at the geographic South Pole. It is the surface component of the IceCube neutrino telescope. Since its completion in December 2010, IceTop consists of 81 detector stations covering an area of 1km². In this dissertation, an analysis of data taken in 2007 with 26 IceTop stations operational at that time is presented. Air showers were reconstructed in order to determine the location of the shower core, their direction and the shower size. The relation between primary energy and shower size was determined from Monte Carlo simulations. An assumption was made about the chemical composition of cosmic rays. The information obtained in these simulations were then used to unfold the spectrum of measured shower sizes in order to obtain the all-particle cosmic ray energy spectrum. This was done independently for particles from three different zenith angle intervals. The result of the unfolding depends on the assumed primary composition. Due to the isotropy of cosmic rays, results obtained in different zenith angle intervals must agree. It has already been shown that this requirement can be used to constrain the range of possible assumptions on the chemical composition of primary particles. Good agreement of spectra from different zenith angle ranges has been found under the assumption of pure proton primaries, as well as for a mixture of protons and iron with a relatively large proton contribution at low energies and proton dominance at high energies. Under these assumptions the knee of the cosmic ray energy spectrum has been observed at energies between 3.97 and 4.20PeV. The spectral index below the knee is about -2.7 and varies between -3.08 and -3.15 above the knee. Pure iron as primary particles can be excluded at a high confidence level below 25PeV. Independent of the primary composition assumption a flattening of the energy spectrum with an index of about -3.0 has been observed above 30PeV.