The propagation code PriNCe, which is discussed in Chapter 4 of this thesis, has since been published. The open-source code is available at https://github.com/joheinze/PriNCe. / 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.

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.

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.

Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Charakterisierung extrem starker Quellen, die höchstwahrscheinlich die kosmische Strahlung beschleunigen. In dieser Arbeit wurden VHE-Gammastrahlenbeobachtungen mit den MAGIC-Teleskopen verwendet, um die Eigenschaften von Blazaren zu untersuchen. Um die Mechanismen zu untersuchen, die zur Breitbandemission von Blazaren führen, wird ein stationärer lepto-hadronischer Code unter Verwendung eines einfachen semianalytischen Frameworks entwickelt. Daher implementiert der Code neben den leptonischen Wechselwirkungen auch die relevanten hadronischen Wechselwirkungskanäle: Protonensynchrotronstrahlung, Photo-Meson-Wechselwirkungen, Proton-Proton-Wechselwirkungen und Paarkaskaden. Die Dissertation präsentiert die Ergebnisse derMAGIC- und Multiwellenlängen-Monitoring-Kampagne des Blazars 1ES 1959 + 650 im Jahr 2016. Im Jahr 2016 durchlief die Quelle eine äußerst aktive Phase und zeigte am 13. Juni, 14. Juni und 1. Juli 2016 drei bemerkenswert helle VHE-Gammastrahlenfackeln. Um die Breitbandspektren der Quelle während der bemerkenswerten Fackelaktivitäten zu untersuchen, wurden drei verschiedene theoretische Modelle übernommen: leptonisch, hadronisch und gemischt lepto-hadronisch. Sowohl das hadronische als auch das gemischte leptohadronische Modell ergaben während der intensiven Aktivitätsperiode Neutrinoflüsse, die unter der Empfindlichkeit der gegenwärtigen Generation von Neutrinoteleskopen liegen. Die Beobachtung eines hochenergetischen Neutrinos durch IceCube im räumlichen und zeitlichen Zusammentreffen mit einem aufflammenden Blazar mit dem Namen TXS 0506 + 056 ergab 2017 erstmals Hinweise auf Identifizierung einer extragalaktischen kosmischen Strahlenquelle. Die Modellierung der elektromagnetischen Daten und des vorhergesagten Neutrinoflusses impliziert, dass die Quelle tatsächlich ein potenzieller Neutrinostrahler und damit ein Beschleuniger für energiereiche kosmische Strahlen sein könnte. / The main aim of this thesis is to characterize extremely powerful sources that are most likely accelerating cosmic rays. Cosmic-ray sources are also believed to produce photons and neutrinos that act as direct tracers of their sources of origin. In this thesis VHE gamma-ray observations by the MAGIC telescopes were used to study the properties of blazars. To investigate the mechanisms giving rise to the broadband emission from blazars, a stationary lepto-hadronic code is developed using a simple semi-analytical framework. Hence along with the leptonic interactions, the code also implements the relevant hadronic interaction channels: proton synchrotron radiation, photo-meson interactions, proton-proton interactions and pair cascades. The thesis presents the results from theMAGIC and multi-wavelength monitoring campaign of the blazar 1ES 1959+650 during 2016. In 2016 the source underwent into an extremely active phase and exhibited three remarkably bright VHE gamma-ray flares on 13th June, 14th June and 1st July of 2016. On two of these nights, signs of rapid flux variability within sub-hour timescales was clearly resolved by the MAGIC observations. In order to investigate the broadband spectra of the source during the remarkable flaring activities, three different theoretical models were adopted: leptonic, hadronic and mixed lepto-hadronic. Both the hadronic and mixed leptohadronic models yielded neutrino fluxes during the intense activity period, that falls below the sensitivity of the current generation of neutrino telescopes. In 2017, the observation of a high-energy neutrino by IceCube in spatial and temporal coincidence with a flaring blazar named TXS 0506+056 yielded for the first time, hints towards identification of an extragalactic cosmic-ray source. The modelling of the electromagnetic data and the predicted neutrino flux implies that the source could indeed be a potential neutrino emitter and hence an accelerator of high-energy cosmic rays.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Quelle hochenergetischer Gammastrahlung HESS J1745-290, welche in Richtung des galaktischen Zentrums liegt und präsentiert die Analyse eines Datensatzes, der von den H.E.S.S. Teleskopen zwischen 2004 und 2014 aufgezeichnet wurde. Ziel der Untersuchung war es, eine zeitliche Variabilität des beobachteten Flusses festzustellen. Die Frage ob der Fluss von HESS J1745-290 variables Verhalten zeigt stellt sich, da sich die Quelle in der gleichen Richtung wie das supermassive schwarze Loch Sgr A* befindet, aus dessen Umgebung bereits variable Strahlung in verschiedenen Frequenzbereichen detektiert wurde. Die Beobachtung einer Variabilität des hochenergetischen Gammastrahlenflusses von HESS J1745-290 würde die Hypothese eines Zusammenhangs zwischen diesem Objekt und Sgr A* stützen, welche bis dato nicht bestätigt werden konnte. Die Suche nach Variabilität wurde für verschiedene Zeitskalen von Minuten bis hin zu Jahren durchgeführt, wobei Hinweise für Variabilität in verschiedenen statistischen Tests gefunden wurden. Die Suche konzentriert sich auf Variabilität ohne periodischen Charakter sowie auf Periodizität. Es wurden Hinweise auf eine Periode von 110 Tagen bei einem Signifikanzniveau von 4.1σ gefunden und auch der Fit einer H.E.S.S. Lichtkurve, die von 2004–2014 reicht, zeigt Variabilität bei einem Signifikanzniveau von 6.1σ, welches sich nach Anwendung eines systematischen Fehlers von 10% auf 4.5σ reduziert. Auch Anzeichen für Variabilität auf einer Zeitskala von Minuten wurden gefunden. Diese Variabilität auf einer Zeitskala von Minuten zeigt quasi-periodischen Charakter, ähnlich derer, welche während Infrarot und Röntgenbeobachtungen von Sgr A* festgestellt wurde. Die Möglichkeit einer Verbindung zwischen HESS J1745-290 und Sgr A* und insbesondere auch die Fragestellung, ob die hier präsentierten Ergebnisse als erster Hinweis auf solch einen Zusammenhang gewertet werden können, werden Thema der Diskussion am Ende der Arbeit sein. / A detailed study on the very-high-energy (VHE) γ-ray source HESS J1745-290 in direction of the Galactic Center using 10 years of data from the H.E.S.S. array of Cherenkov telescopes from 2004 to 2014 with the objective to search for variability of the γ-ray flux of this object is presented. The question if HESS J1745-290 shows variability is of special interest, since the source is located at the same direction as the super-massive black hole Sgr A*. From the vicinity of this black hole variable radiation has been reported for different wavelength bands. The detection of a variability of the VHE γ-ray flux of HESS J1745-290 would favor the hypothesis of a connection of this object and Sgr A* which could not be confirmed so far. The search for variability was performed for different timescales from minutes to years and indeed revealed evidence for variability in different statistical tests which will be discussed in detail together with systematic cross-checks. The study focuses on both variability with and without periodic character. While there is evidence for a long-term flux modulation with a period of 110 d at the 4.1σ significance level, the fit of a H.E.S.S. run-wise light curve from 2004–2014 shows variability at the 6.1σ level, which reduces to 4.5σ after adding a 10% systematic error to each flux measurement. Also signs of variability at a timescale of minutes were found at the 3.1σ level. This tentative VHE short-term variability also shows quasi-periodic behavior as it was reported during infrared and X-ray observations of Sgr A*. Such a tentative long-term flux modulation with a period of 110 d has previously also been reported for the radio band. Due to the similarity of time structure of the variability, which is reported for HESS J1745-290 in this thesis to observations of Sgr A* at other wavelength bands, the thesis will close with the discussion if these results can be considered to be first evidence for a link between HESS J1745-290 and Sgr A*.

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.

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.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Aspekten der Gammastrahlungsastronomie. Einerseits studiert sie die Anforderungen an das zukünftige CTA-Observatorium für Gammastrahlung und präsentiert insbesondere Abschätzungen der Datenmengen, die während des Betriebs des Observatoriums anfallen werden. Für das größere CTA-Teleskopfeld auf der Südhalbkugel werden demnach eine Triggerate von 13 kHz und Datenraten von bis zu 2500 MB/s erwartet. Unter der Annahme, dass 15% der Zeit für Beobachtungen genutzt werden können, ergibt sich in 15 Jahren ein Datenvolumen von bis zu 165 PB. Die Implementation eines entsprechenden Systems zur Datenerfassung und -speicherung stellt eine Herausforderung dar, die jedoch mit existierenden Technik bewältigt werden kann. Andererseits befasst sie sich mit dem Supernovaüberrest RX J0852.0-4622 (auch bekannt als Vela Junior), präsentiert die Ergebnisse einer Analyse von Daten, die mit dem H.E.S.S.-Experiment genommen wurden, und geht der Frage nach, ob RX J0852.0-4622 ein kosmischer Teilchenbeschleuniger ist. Dabei erlauben die präzisen Messungen eine im Vergleich zu früheren Veröffentlichungen verbesserte Bestimmung der Eigenschaften der emittierenden Teilchenpopulation. Es ergibt sich, dass das Energiespektrum von RX J0852.0-4622 ein Potenzgesetz ist, das zu hohen Energien hin mit einer Abschneideenergie von 7.2 TeV exponentiell unterdrückt wird. Abschließend wird anhand von Simulation gezeigt, dass CTA die Abschneideenergie von RX J0852.0-4622 signifikant besser bestimmen können wird. Diese genauere Vermessung des Energiespektrums sollte dazu beitragen, den hadronischen oder leptonischen Charakter der Emission aufzuklären. / This work focuses on two different aspects of gamma-ray astronomy. On the one hand, it studies the instrumental challenge posed by the future CTA Observatory by estimating the amount of data to be collected. Based on an analysis of simulated data, the more demanding southern array is expected to have an array trigger rate of 13 kHz, a data rate of up to 2500 MB/s and a data volume after 15 yr of operation and assuming a duty cycle of 15% of up to 165 PB. The design of the data acquisition and storage systems will be a challenge but should be manageable with existing technologies. On the other hand, it studies supernova remnants, by presenting analysis results of the gamma-ray data of the RX J0852.0-4622 supernova remnant (commonly known as Vela Junior) measured with the operating H.E.S.S. experiment and interpreting them in order to check the plausibility of RX J0852.0-4622 being a cosmic ray accelerator. The more precise measurements permit a better determination of the parent particle population properties with respect to previous publications. More precisely, a clear curvature of the spectrum of RX J0852.0-4622 is measured with an exponential energy cut-off at 7.2 TeV. Finally, the analysis of simulated data shows that CTA should be able to significantly improve the determination of the spectral energy cut-off of RX J0852.0-4622, which should help in identifying the nature of the gamma-ray emission.

Die vorliegende Arbeit beschreibt einen semi-analytischen Ansatz zur Modellierung der Dichteverteilung von DM im Galaktischen Halo. Aus den verschiedenen Substrukturmodellen wird die γ-Strahlungsintensität, welche die Erde erreicht, berechnet. Eine Spannbreite plausibler γ-Strahlungsintensitäten aufgrund der Paarvernichtung Galaktischer DM wird vorgeschlagen, welche die Vorhersagen verschiedener früherer Studien umfasst, und es werden die durchschnittlichen Massen, Abstände und ausgedehnten Strahlungsprofile der γ-strahlungsintensivsten DM-Verdichtungen berechnet. Schließlich werden die DM-Modelle für eine umfassende Berechnung der Nachweismöglichkeit Galaktischer Substrukturen mit CTA verwendet. Die instrumentelle Sensitivität zum Nachweis der γ-strahlungsintensivsten DM-Substruktur wird für eine mit CTA geplanten großflächigen Himmelsdurchmusterung außerhalb der Galaktischen Ebene berechnet. Die Berechnung wird mit CTA Analyse- Software und einer Methode durchgeführt, welche auf einer Likelihood beruht. Eine alternative, ebenfalls Likelihood-basierte Analysemethode wird entwickelt, mit welcher DM-Substrukturen als äumliche Anisotropien im Multipolspektrum des Datensatzes einer Himmelsdurchmusterung nachgewiesen werden können. Die Analysen ergeben, dass eine Himmelsdurchmusterung mit CTA und eine anschließende Suche nach γ-Strahlung von DM-Substrukturen Wirkungsquerschnitte für eine Paarvernichtung in der Größenordnung von (σv) > 1 × 10−24 cm3 s−1 für eine DM-Teilchenmasse von mχ ∼ 500 GeV auf einem Vertrauensniveau von 95% ausschließen kann. Diese Sensitivität ist vergleichbar mit Langzeitbeobachtungen einzelner Zwerggalaxien mit CTA. Eine modellunabhängige Analyse ergibt, dass eine Himmelsdurchmusterung mit CTA Anisotropien im diffusen γ-Strahlungshintergrund oberhalb von 100 GeV für relative Schwankungen von CPF > 10−2 nachweisen kann. / In the current understanding of structure formation in the Universe, the Milky Way is embedded in a clumpy halo of dark matter (DM). Regions of high DM density are expected to emit enhanced γ-radiation from the DM relic annihilation. This γ-radiation can possibly be detected by γ-ray observatories on Earth, like the forthcoming Cherenkov Telescope Array (CTA). This dissertation presents a semi-analytical density modeling of the subclustered Milky Way DM halo, and the γ-ray intensity at Earth from DM annihilation in Galactic subclumps is calculated for various substructure models. It is shown that the modeling approach is able to reproduce the γ-ray intensities obtained from extensive dynamical DM simulations, and that it is consistent with the DM properties derived from optical observations of dwarf spheroidal galaxies. A systematic confidence margin of plausible γ-ray intensities from Galactic DM annihilation is estimated, encompassing a variety of previous findings. The average distances, masses, and extended emission profiles of the γ-ray-brightest DM clumps are calculated. The DM substructure models are then used to draw reliable predictions for detecting Galactic DM density clumps with CTA, using the most recent benchmark calculations for the performance of the instrument. A Likelihood-based calculation with CTA analysis software is applied to find the instrumental sensitivity to detect the γ-ray-brightest DM clump in the projected CTA extragalactic survey. An alternative Likelihood-based analysis method is developed, to detect DM substructures as anisotropies in the angular power spectrum of the extragalactic survey data. The analyses predict that the CTA extragalactic survey will be able to probe annihilation cross sections of ⟨σv⟩ > 1 × 10−24 cm3 s−1 at the 95% confidence level for a DM particle mass of mχ ∼ 500 GeV from DM annihilation in substructures. This sensitivity is compatible with long-term observations of single dwarf spheroidal galaxies with CTA. Independent of a particular source model, it is found that the CTA extragalactic survey will be able to detect anisotropies in the diffuse γ-ray background above 100 GeV at a relative amplitude of CP_F > 10−2.

Diese Arbeit berichtet über die Suche nach gepulster und ungepulster hochenergetischer (VHE) Gammastrahlung mit dem High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) im Energiebereich von 100 GeV bis 100 TeV von drei Pulsaren. Gepulste VHE Gammastrahlung wurde bisher nur fuer den jungen Krebspulsar gefunden. Eine besondere Gruppe von Pulsarwindnebeln (PWN) sind die zusammengesetzten Supernovaüberreste (SNR), bei denen sich ein PWN im Zentrum einer expandierenden SNR Schale befindet. Die Resultate der Suche nach gepulster und ungepulster VHE Gammastrahlung von zwei Millisekundenpulsaren, PSR J0437-4715 und PSR J1824-2452, werden im ersten Teil dieser Arbeit vorgestellt. Teile der Beobachtungen wurden in einer speziellen Triggerkonfiguration (dem Topologischen Trigger mit konvergenter Ausrichtung) durchgeführt, um die Energieschwelle des Instruments zu senken. Kein Hinweis auf gepulste oder ungepulste Emission wurde gefunden und obere Grenzen auf den gepulsten und ungepulsten Fluss wurden bestimmt. Die oberen Grenzen auf den gepulsten Fluss werden mit bestehenden Modellvorhersagen verglichen und erlauben für PSR J1824-2452 den Bereich möglicher Geometrien in einigen Modellen einzuschränken. Die Resultate der Suche nach gepulster und ungepulster VHE Gammastrahlung aus der Richtung des zusammengesetzten SNR Kes 75 werden im zweiten Teil dieser Arbeit präsentiert. Der PWN im Zentrum von Kes 75 wird von einem sehr jungen und energiereichen Pulsar, PSR J1846-0258, angetrieben, der ein aussergewöhnlich starkes Magnetfeld besitzt. Während kein Hinweis auf gepulste Strahlung gefunden wurde, konnte ungepulste Emission von VHE Gammastrahlung von einer Punktquelle mit einer statistischen Signifikanz von 10 sigma nachgewiesen werden. Die VHE Gammastrahlung ist räumlich koinzident mit dem PWN und mit der SNR Schale. Beide werden als mögliche Quelle für die beobachtete Emission diskutiert. Der Pulsar von Kes 75 wäre der jüngste bisher bekannte Pulsar, der einen Pulsarwindnebel antreibt. / This work reports on the search for pulsed and steady very-high energy (VHE) gamma-ray emission in the energy range extending from 100 GeV up to 100 TeV from the direction of three pulsars with the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). Pulsed gamma-ray radiation from pulsars with energies beyond 100 GeV was found thus far only for the young and energetic Crab pulsar. A special class of pulsar wind nebulae (PWNe) is associated with composite supernova remnants (SNRs) where the PWN is centered in an expanding SNR shell. In the first part of this thesis, the results on the search for pulsed and steady VHE gamma-ray emission from the two millisecond pulsars, PSR J0437-4715 and PSR J1824-2452, are presented. Parts of the observations were conducted in a special trigger setup (the topological trigger with convergent pointing) to reduce the energy threshold of the instrument. No signal of pulsed or steady emission is found and upper limits on the pulsed and steady gamma-ray flux are derived. The upper limits on the pulsed gamma-ray flux are compared to existing model predictions and, in the case of PSR J1824-2452, allow the range of possible viewing geometries in some models to be constrained. In the second part of this work, results on the search for pulsed and steady VHE gamma-ray emission from the direction of the composite SNR Kes 75 are presented. The PWN in the center of Kes 75 is powered by a very young and powerful pulsar, PSR J1846-0258, that has an exceptionally high magnetic field. While no hint for pulsed emission is found, steady VHE gamma-ray emission is detected with a statistical significance of 10 sigma from a point-like source. The VHE gamma-ray emission is spatially coincident with the PWN and the SNR shell. Both are discussed as a possible origin for the observed emission. The pulsar of Kes 75 would be the youngest pulsar known to date to power a VHE PWN.