Die vorliegende Dissertation analysiert Beobachtungen des Vela-Pulsars mit dem H.E.S.S.-Observatorium und präsentiert damit den ersten Nachweis gepulster Strahlung mit H.E.S.S. Die signifikante Detektion (11.4 s) oberhalb einer bis jetzt unerreichten Energieschwelle von lediglich 15 GeV wurde mittels von 24 h Beobachtungsdaten erzielt, die mit dem im Jahr 2012 in Betrieb genommenen CT5-Teleskop aufgezeichnet wurden. Nach dem Krebs-Pulsar ist damit der Vela-Pulsar der zweite Pulsar, von dem sehr hochenergetische Gammastrahlung nachgewiesen wurde. Die Spektren von Pulsaren im Bereich der sehr hochenergetischen Gammastrahlung sind von besonderem Interesse, da sie Einblicke in einen bisher fast komplett unerforschten Energiebereich erlauben. Der experimentelle Nachweis stellt eine besondere Herausforderung dar, da die Rate der Gammastrahlen gemäß einem Potenzgesetz mit der Energie abfällt und die resultierenden Zählraten klein sind. Daher werden neue gewichtete Testgrößen eingeführt, um die Sensitivität für den Nachweis schwacher Pulsationen für zukünftige Beobachtungen von Pulsaren zu verbessern. Die Testgrößen sind Erweiterungen von bereits existierenden ungewichteten Verfahren und anwendbar auf beliebige diskrete Daten, in denen ein Puls oder mehrere Pulse erwartet werden. Sie sind leistungsfähig für den Fall unbekannter Phasenprofile und erzielen bei Standardgewichtung eine 10 %-ige Steigerung der Detektionssignifikanz. Die optimierte Analysekette wurde zur Detektion des Vela-Pulsars im Energiebereich von 15 GeV bis 125 GeV eingesetzt. Der phasengemittelte integrierte Energiefluss beträgt 4.29_(-1.02)^(+1.14)_stat _(-3.31)^(+5.50)_sys × 10^(-11) erg cm^(-2) s^(-1) und wird durch einen einzelnen Puls verursacht. Das Profil des Pulses kann durch eine asymmetrischen Lorentz-Funktion mit einer schmaleren abfallenden Flanke beschrieben werden. Der Photonfluß fällt gemäß einem Potenzgesetz mit Index -5.39 mit der Energie ab. Dies ist in guter Übereinstimmung mit einem theoretischen Annular-Gap-Emissionsmodell. / The analysis of the first pulsar to be detected with the H.E.S.S. array is presented. The high significance detection at the 11.4 s level down to a hitherto unachievable 15 GeV energy threshold is a result of 24 h of observations of the Vela pulsar with the new CT5 telescope introduced into the array in 2012. This is only the second pulsar to be detected in the very high energy (VHE) ?-ray regime. Of particular interest are the VHE spectra of pulsars as this is an almost completely unexplored energy domain. This does however entail smaller signals as the rate of ?-rays generally drops according to a power law function. New weighted statistical tests are introduced to improve the sensitivity to weak pulsations for use with future observations of pulsars. These tests are modifications of currently used tests and are applicable to any discrete data in which a single or many pulses are expected; they are powerful when the phase profile is unknown and with a basic weighting provide up to a 10 % boost in detection significance. An optimised analysis chain contributed to the detection of the Vela pulsar with phase averaged energy flux in the energy range (15,125) GeV of 4.29_(-1.02)^(+1.14)_stat _(-3.31)^(+5.50)_sys × 10^(-11) erg cm^(-2) s^(-1). The single pulse is characterised with an asymmetric Lorentzian function with a narrower trailing edge. The photon flux falls as a power law with index -5.39 which is moderately consistent with an Angular Gap emission model but represents a steeper drop in emission than that measured with the Fermi-LAT. The emission efficiency of the Vela pulsar in the VHE band is evaluated as 0.0025 %, which is comparable to that of the Crab pulsar in the same energy regime measured with the MAGIC telescope array. Comparisons to other candidate VHE pulsars are also drawn. A weak constraint is placed on the energy at which Lorentz invariance violation occurs in terms of the Planck energy as E_LIV>10^(-4) E_P.

Das Fermi Large Area Telescope (LAT) ist ein satellitengestütztes Gammastrahlungs-Teleskop zur Messung von Gammastrahlung im Energiebereich zwischen ∼ 30 MeV und mehreren hundert GeV. Der Nachweis extraterrestrischer Gammastrahlung in diesem Energiebereich erlaubt Rückschlüsse auf die astrophysikalischen Quellen der Gammastrahlung und Beschleunigungsmechanismen kosmischer Strahlung mit Energien zwischen 1 GeV und ∼ 10 TeV. Die Beobachtung von Quellen während Phasen vorübergehend erhöhter Gammastrahlungslüsse (‘Flares’) ermöglicht dabei eine besonders empfindliche Untersuchung der Produktionsmechanismen kosmischer Strahlung in den Quellen, da die Eigenschaften kürzlich beschleunigter Teilchen unmittelbar studiert werden können. Der Hauptteil dieser Dissertation stellt das neueste Verzeichnis zeitlich variabler Gammastrahlungsquellen über 100 MeV vor, den zweiten ‘Fermi All-sky Variability Analysis’ Katalog (2FAV). Der 2FAV Katalog enthält über 4500 Flares, welche in den ersten 7.4 Jahren der LAT Datennahme auf einem hohen Vertrauensniveau gemessen und an 518 verschiedenen Himmelspositionen beobachtet wurden. 441 dieser Quellpositionen im 2FAV können Aktiven Galaktischen Kernen (AGN) zugeordnet werden. Die verbleibenden 77 Quellpositionen besitzen keine sichere Entsprechung in anderen Verzeichnissen von Gammastrahlungs- oder Blazarquellen und stellen möglicherweise neue Gammastrahlungsquellen dar. Bei der Untersuchung der Spektren der 2FAV Flares, welche sogenannten ‘Flat-Spectrum’ Radioquasaren (FSRQ) - eine Unterklasse der AGN - zugeordnet werden können, wurde durchweg ein härteres Gammastrahlungsspektrum während Phasen erhöhter Gammastrahlungsemission beobachtet. Zudem wurde eine Untergrenze in der Verteilung der spektralen Exponenten, Γ ≳ 1.5, in der Stichprobe der untersuchten Flares festgestellt. Unter der Annahme eines einfachen leptonischen Modells und dass die Verteilung beschleunigter Teilchen im Inertialsystem der Quelle isotrop ist, folgt daraus, dass die Energiespektren der kosmischen Strahlung, welche die Gammastrahlungs-Flares verursachen, mit dN/dE ∝ E −2 oder stärker abfallen. Eine andere Möglichkeit, die Beschleunigungsmechanismen kosmischer Strahlung zu untersuchen, ist die Messung der Polarisation der begleitenden Gammastrahlung. Der letzte Teil dieser Dissertation enthält eine vorläufige Studie zur Messbarkeit linearer Polarisation astrophysikalischer Gammastrahlung mit dem LAT-Instrument. Bei Konversion hochenergetischer Photonen in Elektron-Positron-Paare verursacht eine lineare Polarisation der Gammastrahlung eine Modulation des Azimutwinkels der Ebenen, in denen die Elektron-Positron-Paare erzeugt wurden. Obwohl der LAT ursprünglich nicht als Polarimeter konzipiert wurde, ermöglicht das Instrument eine Messung dieser Modulation für niederenergetische Primärteilchen (≲ 200 MeV), welche in den Silikonschichten des Detektors konvertieren. Eine Auswahl solcher Ereignisse, selektiert durch Algorithmen überwachten maschinelles Lernens (‘supervised machine learning’), wird verwendet um die statistischen und systematischen Messunsicherheiten abzuschätzen, denen eine Messung unterworfen ist. Werden allein statistische Unsicherheiten berücksichtigt, ist der LAT in der Lage, einen Polarisationsgrad von 30−50% der Gammastrahlungsflüsse vom Vela-Pulsar und vom Krebs-Pulsarwindnebels nach einer Beobachtungszeit von zehn Jahren auf einem Vertrauensniveau von 5σ nachzuweisen. Werden zusätzlich systematische Unsicherheiten berücksichtigt, wird abgeschätzt, dass ein Polarisationsgrad von ∼ 46% auf einem Vertrauensniveau von 5σ nachweisbar ist, indem eine Auswahl von AGN als unpolarisierte Testprobe verwendet und mit umfangreichen Monte-Carlo Simulationen verglichen wird. Die Analyse in dieser Dissertation berücksichtigt zum ersten Mal sämtliche Aspekte einer polarization-sensitiven Ereignissrekonstruktion und dienst damit als Grundlage für zukünftige Nachweisversuche der Polarisation astrophysikalischer Gammastrahlung mit dem LAT. / The Fermi Large Area Telescope (LAT) is a space-based pair-conversion telescope sensitive to gamma rays with energies from ∼ 30 MeV to several hundreds of GeV. Observing gamma rays in this energy range, we gain information on the sources and acceleration mechanisms of cosmic rays (CRs) of energies from ∼ 1 GeV to ∼ 10 TeV. Studying the emission of gamma-ray sources during periods of enhanced activity (flares) provides a sensitive probe of the production mechanisms of CRs, as it makes it possible to investigate the distributions of the freshly-accelerated particles. The main part of this work presents the latest catalog of variable gamma-ray sources above 100 MeV, the second Fermi All-sky Variability Analysis catalog (2FAV). The 2FAV catalog contains more than 4500 flares detected at high significance in the first 7.4 years of LAT observations and the 518 sources from which these flares originate. Probable counterparts, mostly active galactic nuclei (AGN), have been found for 441 sources in the 2FAV. The remaining 77 sources have no reliable counterparts in other gamma-ray or blazar catalogs; they are potentially new gamma-ray sources. Studying the spectra of the 2FAV flares, we observe a harder-when-brighter behavior for the entire sample of flares associated with lat spectrum radio quasars, a class of AGN. We also observe a minimum value in the distribution of the photon index Γ of the flares, corresponding to Γ ≳ 1.5. In a simple leptonic scenario, assuming that the distribution of accelerated particles is isotropic in the source reference frame, this limit on the spectral hardness implies that the spectra of the accelerated particles responsible for the lare is never harder than dN/dE ∝ E −2. Another way to probe the environments where CRs are accelerated is by measuring the polarization of the gamma rays. A preliminary study of the LAT sensitivity to linear polarization of astrophysical gamma-rays is presented in the last part of this thesis. In the pair-production regime, linear polarization of the gamma-rays induces a modulation in the azimuthal angle of the planes where the electron-positron pairs are produced. Although not designed as a polarimeter, the LAT has the potential to measure this modulation using low energy (≲ 200 MeV) events converting in the silicon detector layers of its tracker. A selection of these events using supervised machine learning algorithms is presented and used as a basis to estimate the statistical and systematic uncertainties afecting the measurement. Considering only statistical uncertainties, a degree of polarization of ∼ 30−50% could be detected at the 5σ confidence level for the Vela pulsar and the Crab pulsar-wind nebula after 10 years of observation. By including systematic uncertainties, a 5σ sensitivity limit corresponding to a polarization degree of ∼ 46% is estimated, using a stack of AGN as an unpolarized test source and comparing the data with detailed Monte Carlo simulations. This analysis addresses for the first time all the steps of a real measurement and can therefore provide the basis for future measurements of gamma-ray polarization with the LAT.

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.

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 Entdeckung eines hochenergetischen Flusses astrophysikalischer Neutrinos stellt einen wesentlichen physikalischen Durchbruch der letzten Jahre dar. Trotz allem ist der Ursprung dieser Neutrinos immer noch unbekannt. Die Suche nach den Quellen der hochenergetischen kosmischen Strahlung ist direkt verbunden mit der Suche nach Neutrinos, da diese in den gleichen hadronischen Prozessen erzeugt werden und eine Neutrinoquelle deshalb einen direkten Hinweis auf eine Quelle der kosmischen Strahlung darstellen würde. Viele potentielle Quellen der Neutrinos werden diskutiert, darunter Kern-Kollaps Supernovae. In dieser Arbeit werden sieben Jahre Daten des IceCube Neutrinoteleskopes mit der Richtung mehreren Hundert Kernkollaps-Supernovae auf Korrelation getestet. Die Analyse gewinnt dabei durch die gute Richtungsrekonstruktion der 700000 Muonspurdaten und der großen Datenbank optische beobachteter Supernovae. Die Sensitivität der zeitabhängigen Likelihood-Analyse wird durch die Kombination mehrere Quellen in einer einzigen Analyse gesteigert. Es wurde kein statistisch signifikantes Cluster von Neutrinos an den Positionen der Supernovae gefunden. Daraus wurden obere Grenzen für verschiedene Modelle berechnet und der Beitrag von Kernkollaps-Supernovae zum diffusen Neutrinofluss eingeschränkt. Daraus können bestimmte Typen von Supernovae als dominate Quelle der diffusen hochenergetischen astrophysikalischen Neutrinos ausgeschlossen werden. / The recent discovery of a high energy flux of astrophysical neutrinos was one of the breakthroughs of the last years. However, the origin of these neutrinos remains still unknown. Also, the search for the sources of high-energy cosmic rays is closely connected to neutrinos since neutrinos are produced in hadronic interactions, and thus the detection of a neutrino source would be a \textit{smoking gun} signature for cosmic rays. Many potential neutrino source classes have been discussed, among these are core-collapse supernovae. In this thesis, seven years of data from the IceCube neutrino observatory are tested for correlation with the direction of hundreds of core-collapse supernovae. The analysis benefits from the good angular reconstruction of the order of one degree and below of the about 700000 muon track events and an extensive database of optical observations of supernovae. Using a time-dependent likelihood method, the sensitivity of the analysis is increased by stacking the sources in a combined analysis. No significant clustering of neutrino events around the position of core-collapse supernovae is found. Upper limits of different neutrino light curve models are computed, and the contribution of core-collapse supernovae to the measured diffuse high energetic neutrino background is constrained. These limits allow excluding certain types of core-collapse supernovae as the dominant source of the observed high energetic astrophysical neutrino flux.

Teilchenschauer können sowohl durch Photonen als auch durch geladene Teilchen erzeugt werden. Letztere kommen etwa 1000-mal häufiger vor als die durch Photonen erzeugten Teilchenschauer. Dies beeinflusst die Sensitivität des VERITAS-Experiments erheblich. Um diese gegenüber Gammastrahlung zu steigern, ist es notwendig, die Gamma-Hadron Separation zu verbessern. In dieser Dissertation wurde eine Analysemethode, basierend auf Boosted Decision Trees (BDTs), entwickelt und für die Analyse der Daten des VERITAS-Observatoriums optimiert. Das große Potential zur Unterscheidung von Teilchenschauern der Photonen und der Hadronen wird anhand ausführlicher Tests und systematischer Studien mit Simulationen von Gammastrahlung und Beobachtungsdaten der kosmischen Strahlung verdeutlicht. Im Vergleich zur Standardanalyse kann die Sensitivität mit Hilfe der BDT Methode deutlich erhöht werden. Die entwickelte und optimierte BDT Methode wird auf Beobachtungsdaten der Cygnus-Region angewandt. Diese ist eine der aktivsten sternbildenden Regionen unserer Galaxie und beherbergt eine Vielzahl von potentiellen kosmischen Teilchenbeschleunigern. Aufgrund der enormen Dichte an potentiellen Quellen sowie der hohen Wahrscheinlichkeit, neue Quellen zu detektieren und zu identifizieren, wurde die Cygnus-Region von April 2007 bis Juni 2012 mit VERITAS beobachtet. Die Beobachtungsdaten wurden mit einer für diese Himmelsregion optimierten Analysetechnik aufbereitet und ausgewertet. Vier Quellen hochenergetischer Gammastrahlung wurden detektiert: VER J2031+415, VER J2019+407, VER J2019+368 und VER J2016+371. Detaillierte spektrale Untersuchungen werden vorgestellt, gefolgt von einer Diskussion möglicher assoziierter Objekte in anderen Wellenlängenbereichen. Schließlich konnten mit Hilfe der verbesserten Sensitivität von VERITAS durch die BDT Methode niedrigere Obergrenzen für den Fluss der hochenergetischen Gammastrahlung von 50 potentiellen Gammastrahlungsquellen abgeleitet werden. / Particle showers can be generated by photons or charged cosmic rays. Before applying any selection requirements, showers initiated by cosmic rays are about 1000 times more common than those initiated by photons. This constitutes a vast amount of background events measured by VERITAS, limiting the sensitivity to gamma rays. To improve the separation power between gamma-ray and cosmic-ray showers, an analysis technique based on Boosted Decision Trees (BDTs) is developed. Extensive tests are performed to study the discrimination capabilities of the BDT method using cosmic-ray data and Monte-Carlo simulations of gamma rays. Compared to the VERITAS standard analysis, the BDT method improves the sensitivity of detecting gamma rays. The BDT method is applied to data obtained from observations of the Cygnus region, one of the most active star-forming regions of our Galaxy. It hosts numerous astrophysical objects capable of accelerating particles to extremely high energies, such as supernova remnants, pulsar wind nebula, binary systems, and associations of massive OB stars. The high density of potential sources and the information from multiwavelength observations led VERITAS to perform observations of the Cygnus region between April 2007 and June 2012. Four sources were detected in very-high-energy gamma rays: VER J2031+415, VER J2019+407, VER J2019+368, and VER J2016+371. They were analysed in detail and compared to possible counterparts measured at other wavelengths. The spectra of the three of the sources were fit to a power law. Two out of three spectra are consistent with those obtained in previous measurements, where the third one shows a softer spectral index than the published result. Finally, the greater sensitivity reached with the BDT method allowed the derivation of the most stringent upper limits to date on 50 potential gamma-ray sources.

Dunkle Materie bindet etwa 24 % der gesamten Energie im Universum. Bis heute ist jedoch dessen Ursprung nicht bekannt. Untersuchungen von Galaxien und kosmologischen Messungen deuten auf Dunkle Materie hin. Ein Kandidat für Dunkle Materie ist das sogenannte Weakly Interactive Massive Particle (WIMP), welches nur der Schwerkraft und der schwachen Wechselwirkung unterliegt. Eines dieser supersymmetrischen Teilchen ist das Neutralino. Das Ziel dieser Arbeit ist es, nach Dunkler Materie in dieser Form zu suchen. Aufgrund seiner Nähe sowie der hohen Dichte an Dunkler Materie bietet das Zentrum unserer Galaxie besondere Möglichkeiten zur Suche nach diesen Teilchen. Es wird vermutet, dass Neutralinos miteinander wechselwirken, dabei in Teilchen des Standard Modells zerfallen und so Photonen mit hohen Energien entstehen. Die Suche nach hochenergetischen Gammastrahlen in der Nähe des Galaktischen Zentrums kann folglich das Rätsel der Dunklen Materie lösen. Das Gammastrahlenobservatorium VERITAS hat das Galaktische Zentrum für etwa 108 Stunden beobachtet. Diese Daten wurden mittels einer unbinned Likelihood-Analyse auf die Existenz von Dunkler Materie untersucht. Da VERITAS das Galaktische Zentrum bei geringer Elevation beobachtet, können nur Gammastrahlen in einem Energiebereich zwischen 4 und 70 TeV detektiert werden. Die Analysemethode modelliert sowohl die räumliche Verteilung der Dunklen Materie als auch das Gammastrahlenspektrum. Der Beitrag der Gammastrahlen, welcher nicht von Dunkler Materie erzeugt wird, ist mittels einer punktförmigen Quelle modelliert. Zum Schluss wird der Untergrund mit realen Daten außerhalb des Galaktischen Zentrums abgeschätzt. Im Energiebereich zwischen 4 und 100 TeV wurden keine Signale der Dunklen Materie gefunden. Obere Grenzwerte für den Wechselwirkungsquerschnitt der WIMPs ergeben ⟨σv⟩ < (6.6 − 7.6) × 10−25 cm^3 oberhalb von 70 TeV in einem 95-prozentigen Erwartungsintervall. / Dark matter accounts for 24% of the universe’s energy, but the form in which it is stored is currently unknown. Understanding what form this matter takes is one of the major unsolved mysteries of modern physics. Much evidence exists for dark matter in the measurements of galaxies, dwarf galaxies, galaxy clusters, and cosmological measurements. One theory posits dark matter is a new undiscovered particle that only interacts via gravity and the weak force, called a weakly interacting massive particle (WIMP). One WIMP candidate is a supersymmetric particle called a neutralino. The objective of this thesis is to search for these dark matter particles, and attempt to measure their mass and cross section. Dark matter particles appear to concentrate in most galaxy-scale gravitational wells. One region of space that is both nearby and assumed to have a high density of dark matter is the center of our own galaxy. The neutralino is expected to annihilate into Standard Model particles, which may decay into photons. Therefore, a search for gamma rays near the Galactic Center may uncover the presence of dark matter. 108 hours of VERITAS gamma-ray observations of the Galactic Center are used in an unbinned likelihood analysis to search for dark matter. The Galactic Center’s low elevation results in VERITAS observing gamma rays in the 4–70 TeV energy range. The analysis used in this thesis consists of modeling the halo of dark matter at the Galactic Center, as well as the spectrum of gamma rays produced when two WIMPs annihilate. A point source is added to model the non-dark-matter gamma-ray emission detected from the Galactic Center. Background models are constructed from data of separate off-Galactic-Center observations. No dark matter signal is found in the 4–100 TeV mass range. Upper limits on the WIMP’s velocity-averaged cross section have been calculated, which above 70 TeV result in new limits of ⟨σv⟩ < (6.6 − 7.6) × 10−25 cm3 at the 95% confidence level.

Axionartige Teilchen sind pseudoscalare Teilchen welche in Theorien jenseits des Standardmodells vorhergesagt werden. Falls ein axionartiges Teilchen innerhalb eines kosmischen magnetischen Felds gebildet wird, wird dieses nicht durch das Hintergrundlicht absorbiert. Daher kann es kosmische Distanzen überbrücken bevor es wieder in ein Photon zurück oszilliert. Dieser Effekt erhöht die Reichweite der Gammastrahlung im Universum. Im Rahmen dieser Dissertation werden Daten des Fermi Large Area Telescopes, aufgenommen über eine Zeitraum von sechs Jahren, systematisch analysiert. Hierbei wird nach axionartigen Teilchen mit Hilfe von Transparenzeffekten des Universums gesucht. In diesem Zusammenhang werden verschiedene Modelle des extragalaktischen Hintergrundlichts mit und ohne Berücksichtigung axionartiger Teilchen verglichen. Hierfür werden Likelihood-Funktionen für das höchst energetische Photon verschiedener entfernter Quelle kombiniert. Diese sind aktive galaktische Kerne mit einer Rotverschiebung z ≥0.1 des Second Catalog of Hard Fermi-LAT Sources. Unter den Annahmen einer intergalaktischen magnetischen Feldstärke von B = 1 nG und einer Kohärenzlänge von s = 1 Mpc wurde keine Veränderungen der Transparenz durch axionähnliche Teilchen nachgewiesen. Für eine Masse eines axionartigen Teilchens mit m≅ 3.0 neV wird eine Photonen-Axion Kopplungskonstante über 10(^11) GeV(^−1) ausgeschlossen. / Axion-like particles, pseudo-scalar particles that arise in theories beyond the Standard Model, mix with photons in the presence of magnetic fields. If an axion-like particle is produced within a cosmic magnetic field, it evades extragalactic background light absorption and thus it can survive cosmological distances until oscillating back into a photon. This leads to an increased transparency of the Universe to gamma rays. In the scope of this thesis, we search for transparency effects compatible with the existence of axion-like particles with six years of data from the Fermi Large Area Telescope. We derive and combine the likelihoods of the highest-energy photon events from a sample of hard distant sources, in order to compare models that include axion-like particles and models with only extragalactic background light. The sources are active galactic nuclei from the Second Catalog of Hard Fermi sources at redshift z≥0.1. For values of the intergalactic magnetic field strength B = 1 nG and coherence length s = 1 Mpc, we find no evidence for a modified transparency induced by axion-like particles and therefore we set upper limits. We exclude photon-axion coupling constants above 10(^11) GeV(^−1) for axion masses m≅ 3.0 neV.

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

In der Astronomie zeigen viele Quellen ein veränderliches Verhalten, das in manchen Fällen sehr kurz sein und im Bereich von Sekunden bis Minuten liegen kann. Beispiele dafür sind Gammablitze (GB) und aktive Galaxienkerne (AGK). Um die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse besser zu verstehen, ist eine Messung der Photonenflussänderung notwendig. Allerdings kann die Entdeckung sehr kurzzeitiger Ausbrüche im sehr hochenergetischen Bereich des Spektrums, für welche Cherenkov Teleskope, wie VERITAS, zum Einsatz kommen, schwierig sein. Die Ursache dafür ist der hohe Untergrund und die relativ niedrige Signalrate. Diese Arbeit behandelt die Implementierung fortschrittlicher und für die Entdeckung signifikanter Ratenänderung optimierter, statistischer Methoden (exp-test and Bayesian-Blocks) innerhalb der VERITAS-Analyse. Das Verhalten dieser Methoden wird anhand von Daten minutenlanger Ausbrüche, die mittels Monte-Carlo-Technik für zwei unterschiedliche VERITAS Stadien simuliert wurden (vor und nach der Hardware-Aufrüstung), bewertet und miteinander verglichen. Die fortschrittlichen Methoden verbessern die Empfindlichkeit bei der Entdeckung von kurzzeitigen Ausbrüchen, wenn deren Fluss den des Krebsnebels übersteigt (Krebsnebel-Einheit = K.E.). Es sind nun Ausbrüche von 2 K.E. selbst dann nachweisbar, wenn deren Dauer nur 100 Sek. beträgt. Dies ist mit der Standardmethode nicht möglich. Im darauffolgenden Schritt dieser Arbeit werden das Nachglühen von 6 GB sowie die 450, ebenfalls mit VERITAS erzeugten, Aufnahmen von AGK-Quellen mittels der fortschrittlichen Methoden analysiert. In keiner der AGK-Aufnahmen wird eine signifikante Entdeckung kurzzeitiger Variabilität gemacht, was mit den anerkannten AGK-Modellen übereinstimmt. Auch die Untersuchung des Nachglühens der 6 GB offenbart keine kurzen Ausbrüche im GeV-TeV Bereich. Jedoch ist es für 2 von ihnen möglich, ein oberes Flusslimit von 1.25 K.E. (3,7 · 10^(−10) erg/(cm^2*s) [0,1;10 TeV]) abzuschätzen. / In astronomy, many of the observed sources show a transient behavior. Examples are gamma-ray bursts (GRBs) and active galactic nuclei (AGN). For those source types the variability can be very short, in the order of seconds to minutes. Measuring the flux variations is necessary to understand the underlying physical processes responsible for the emission. However, the detection of very short flares can be difficult in the very high-energy range, in which imaging atmospheric Cherenkov telescopes like VERITAS are operating. This is due to the large background and the comparable low signal rates. This thesis discusses the implementation of advanced statistical methods (exp-test and Bayesian-Blocks) into the VERITAS analysis framework, that are optimized for the detection of significant variations in the event rate. The performance of these methods is evaluated and compared by using Monte Carlo simulations of minute scale flares for two different VERITAS states, pre- and post-hardware-upgrade. It is shown that the advanced methods can improve the detection sensitivity for short flares with high fluxes of more than the Crab flux (Crab unit = C.U.). For example, flares at 2 C.U. with short durations down to 100 sec are now detectable, which is not possible with the standard method. In the next step of this thesis, 6 GRB afterglows and 450 runs of AGN data, observed by VERITAS, are analyzed with the advanced methods. In none of the AGN runs a significant detection of short time variability is made, which is in consistence with the canonical AGN models. The investigation of the 6 GRB afterglows also did not reveal any short flares in the GeV-TeV range. However, for two of them it was possible to estimate an upper flux limit of 1.25 C.U. (3,7 * 10^(−10) erg/(s*cm^2) [0,1;10 TeV]).