Diese Arbeit enthält die Ergebnisse der Suche nach Neutrino-induzierten kaskadenartigen Ereignissen mit dem AMANDA-II Detektor. Die Signatur von Elektron- und Tauonneutrinowechselwirkungen sind elektromagnetische sowie hadronische Teilchenschauer, sogenannte Kaskaden. Zusätzlich können Neutrinos aller Arten, die über neutrale Ströme wechselwirken, durch hadronische Kaskaden nachgewiesen werden. Es wurden Methoden zur Orts- und Energierekonstruktion von Kaskadenereignissen verbessert sowie neuentwickelt. Sowohl Orts- und Energieauflösung konnten mit Hilfe von künstlichen Lichtquellen verifiziert werden. Ausserdem wurde ein Neutrinogenerator entwickelt, der es erlaubt bis zu den höchsten Energien Neutrino-induzierte Ereignisse zu simulieren. Ein Filter zur Trennung Neutrino-induzierter Kaskaden vom Untergrund atmo- sphärischer Myonereignisse wurde entwickelt. Der erste Datensatz des AMANDA-II Detektors aus dem Jahr 2000 wurde auf die Sig- natur von hochenergetischen Neutrino-induzierten Kaskaden untersucht. Ein einzelnes Ereignis passierte alle Selektionsschnitte. Diese Beobachtung ist mit der erwarteten Anzahl Ereignisse durch atmosphärische Neutrinos und Myonen verträglich. Es wurden obere Grenzen auf den zusätzlichen Beitrag astrophysikalischer Neutrinos bestimmt. Unter der Annahme eines Neutrinoflußes phi(E), welcher proportional zu E^-2 ist, kann eine obere Grenze von E^2 phi(E)=9 10^-7 GeV s^-1 sr^-1 cm^-2 auf den Fluss von Neutrinos aller Arten angegeben werden (90% CL). Die obere Grenze stellt zur Zeit die restriktivste Einschränkung des Neutrinoflußes in einem Energiebereich von circa 50 TeV bis 5 PeV dar. Einige der untersuchten Modellvorhersagen sind nicht mit der Beobachtung verträglich und können somit ausgeschlossen werden. / The subject of this dissertation was the search for a diffuse flux of high energy neutrinos using the data collected with the AMANDA-II detector. In particular this work focused on the detection of neutrino-induced cascades. The signature of a charged current interaction of electron and tau neutrinos is a hadronic and/or electro-magnetic cascade. Additional cascade events from all neutrino flavors are obtained from neutral current interactions. Methods for reconstructing cascades were further improved or newly developed. Where possible, the performance of the reconstruction was tested with in-situ light sources. A Monte Carlo generator was developed, which allows state-of-the-art simulation of all-flavor neutrino events. A dedicated filter was designed which aimed at reducing the large background of atmospheric muons, while keeping a high efficiency for neutrino-induced cascades. The first year of data collected with the AMANDA-II detector has been analyzed. The observed event rates are consistent with the expected rate of neutrinos and muons produce by cosmic ray interaction in the Earth atmosphere. Upper limits on a diffuse flux of extraterrestrial electron, tau and muon neutrinos are presented. A flux of neutrinos following an E^-2 spectrum and consisting of an equal mix of all flavors is limited to E^2 phi(E) < 9 10^-7 GeV s^-1 sr^-1 cm^-2 (at 90 % CL) for a neutrino energy range 50 TeV to 5 PeV. In this energy range the limits are currently the most stringent available and rule out several existing flux predictions for extraterrestrial neutrinos.

Das Antarctic Muon And Neutrino Detector Array (AMANDA) ist ein Cherenkov Detektor, der sich im Gletscher der Antarktis am Südpol befindet. Wir präsentieren die Analyse von Daten, die in den Jahren 2000 bis 2004 gesammelt wurden, die einer effektiven Detektorlaufzeit von 1001 Tagen entsprechen. Die Suche zielt auf den Nachweis von elektomagnetische und hadronische Teilchenschauern, so gennante Kaskaden, die durch Elektron- und Tauneutrinowechselwirkung produziert werden können. Die hadronischen Kaskaden können auch über neutrale Ströme Wechselwirkung von Neutrinos aller Arten produziert werden. Der Kaskadenkanal hat einige Vorteile in der Suche nach einem diffusen Fluss von astrophysikalischen Neutrinos. Durch die gute Energieauflösung des AMANDA Detektors kann man zwischen einem harten astrophysikalische Spektrum und einem weichen atmosphärischen Spektrum unterscheiden. Außerdem ist der atmosphärischen Elektronneutrinos Fluss um eine Gößenordnung kleiner als der atmosphärische Myonneutrinofluss. Der Untergrund von atmosphärischem Myonen aus Luftschauern kann unterdrückt werden, weil diese als Spuren im Detektor erscheinen und leicht zu identifizieren sind. Mit der hohen Untergrundunterdrückung ist es möglich die Analyse über einen Raumwinkel von 4pi für Energien gegen 50 TeV zu erstrecken. Die Anzahl von gefundenen Ereignissen in dieser Analyse stimmt mit der Erwartung von Hintergrundereignissen überein. Deshalb berechnen wir eine obere Grenze für den diffusen Neutrinofluss aller Neutrinoarten, unter der Annahme, dass alle Neutrinoarten im Verhältnis 1:1:1 auftreten. Die obere Grenze für einen Nuetrinofluss im Energiebereich von 40 TeV bis 9 PeV mit einem Spektrum von E-2 ist 3.96x10-7 GeV s-1 sr-1 cm-2 bei einem Konfidenzniveau von 90%. Dies ist momentan die niedrigste Grenze für einen diffusen Neutrinoflüss aller Neutrinoarten. / The Antarctic Muon And Neutrino Detector Array (AMANDA) is a Cherenkov detector deployed in the Antarctic ice cap at the South Pole. We present the analysis of the AMANDA data collected during 1001 effective days of the detector lifetime be tween the years 2000 and 2004. We focus our search on electromagnetic and hadronic cascades which are produced in charged-current interactions of high-energy electron or tau neutrinos and in neutral-current interactions of neutrinos of any flavor. There are several advantages associated with the cascade channel in the search for a "diffuse" flux of astrophysical neutrinos. The AMANDA''s energy resolution allows us to distinguish between a hard astrophysical spectrum and a soft atmospheric spectrum. In addition, the flux of atmospheric electron neutrinos is lower than that of atmospheric muon neutrinos by one order of magnitude, and the background from downward-going atmospheric muons can be suppressed due to their track-like topology. The low background in this channel allows us to attain a 4pi acceptance above energies of about 50 TeV. The number of events observed in this analysis is consistent with the background expectations. Therefore, we calculate an upper limit on the diffuse all-flavor neutrino flux assuming a flavor ratio 1:1:1 at the detection site. A flux of neutrinos with a spectrum falling as E-2 is limited to 3.96x10-7 GeV s-1 sr-1 cm-2 at 90% C.L. for a neutrino energy range spanning from 40 TeV to 9 PeV. This upper limit is currently the most sensitive limit on the diffuse all-flavor astrophysical neutrino flux.

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.

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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.

Auditorische Transduktion beschreibt die Umwandlung von Schall in elektrische Signale in Rezeptorzellen. Dies geschieht durch eine Kette biophysikalischer Prozesse: mechanische Ankopplung der Schallwelle, Öffnung von mechanosensitiven Ionenkanälen in den Rezeptorzellen, Ansammlung des Membranpotentials und Auslösung von Aktionspotentialen. In dieser Arbeit wird die damit verbundene Signalverarbeitung am Beispiel der Rezeptorzellen im Ohr von Heuschrecken untersucht. Die Transduktion wird dazu als Kaskade einzelner funktioneller Module beschrieben. Es wird gezeigt, wie derartige Module aus der Beobachtung der System-Antwort, hier der Aktionspotentiale im auditorischen Nerv, mit Hilfe der Iso-Antwort-Methode charakterisiert werden können. Dabei werden im Experiment unterschiedliche akustische Reize ermittelt, die die gleiche System-Antwort liefern. In drei aufeinander aufbauenden experimentellen Untersuchungen führt dies zu folgenden Ergebnissen: 1) Für stationäre Signale wird die Feuerrate der Rezeptorzellen durch die Energie der Trommelfell-Schwingung reguliert. 2) Die auditorische Transduktion lässt sich durch eine Kaskade aus zwei linearen Filtern und zwei nicht-linearen Transformationen (LNLN-Kaskade) beschreiben. Die involvierten Prozesse agieren im sub-Millisekunden-Bereich und können mit der beschriebenen Methode - trotz der auf etwa eine Millisekunde beschränkten Präzision der Aktionspotentiale - mit einer Genauigkeit von ca. 10 Mikrosekunden vermessen werden. 3) Die Adaptation der Feuerrate enthält neben einem dominierenden rückgekoppelten Prozess, der durch die Feuerrate selbst gesteuert wird, auch eine Komponente, die direkt durch das Eingangssignal, die Schallintensität, ausgelöst wird und mechanischer Natur ist. Die Ergebnisse spiegeln die hohen Anforderungen an das zeitliche Auflösungsvermögen im Ohr wider. Die verwendete Methodik ist jedoch auch auf viele andere systemtheoretische Untersuchungen biophysikalischen Kaskaden anwendbar. / Auditory transduction describes the conversion of sound into electrical signals in receptor cells. A sequence of biophysical processes is involved: the mechanical coupling of the sound-pressure wave, the opening of mechanosensory ion channels in the receptor cells, the accumulation of membrane potential and the generation of action potentials. In this work, the signal processing in receptor cells is investigated. The ears of grasshoppers serve as a model system, and transduction is described as a cascade of functional modules. It is shown how such modules can be characterized by the iso-response method from observations of the system''s response. To this end, different acoustic stimuli are determined experimentally that trigger the same response. In three consecutive experimental investigations, this approach leads to the following results: 1) For stationary signals, the firing rate of the receptor neurons is governed by the energy of the ear-drum vibrations. 2) Auditory transduction can be described by a cascade that consists of two linear filters and two nonlinear transformations (LNLN cascade). The processes involved act on sub-millisecond time scales and can be analyzed by the described method with a resolution of around 10 microseconds - despite the limited precision of the action potentials near one millisecond. 3) Spike-frequency adaptation is governed by a feedback process, which is governed by the firing rate, but also contains a feedforward component triggered by the system''s input, the sound intensity. This component is of mechanical origin. The results reflect the high demands for temporal resolution in the ear. The applied method, however, can also be used for a large range of further system-theoretical investigations of biophyical cascades.

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Der Ursprung ultra-hochenergetischer kosmischer Strahlung (UHECRs) ist eine der wichtigsten offenen Fragen der Astrophysik. Gammastrahlenblitze (GRBs) galten als potentielle Quellen, da sie zu den energetischsten Ereignissen im Universum zählen. Konventionelle Szenarien sind jedoch durch Neutrinodaten stark eingeschränkt. Außerdem weisen Messungen der chemischen Zusammensetzung kosmischer Strahlen auf schwere Kerne hin, welche in zu dichten Strahlungsfeldern disintegrieren würden. Um dieses Dilemma zu umgehen deuten neue Studien auf versteckte Beschleuniger hin, welche schwer zu detektieren sind. In dieser Dissertation präsentieren wir neue Ansätze um nukleare Prozesse in astrophysikalischen Quellen effizient und selbstkonsistent zu berechnen. Wir quantifizieren diese Wechselwirkungen anhand der nuklearen Kaskade, welche die Disintegration schwerer Kerne in leichtere Fragmente beschreibt. Auch in umfassenden Modellen, wie sie in dieser Arbeit entwickelt werden, sind GRBs durch Neutrinodaten unter Druck. Dennoch zeigen wir, dass eine Population von GRBs niedriger Luminosität konsistent mit derzeitigen Messungen ist und zugleich auch das Spektrum und die Zusammensetzung kosmischer Strahlung über den Knöchel hinweg sowie Neutrinodaten beschreiben kann. Aus unserer Prozedur können wir zusätzlich weitere Quelleneigenschaften wie die baryonische Ladung oder die Ereignisrate bestimmen. Wir zeigen weiter, dass auch von schwarzen Löchern zerrissene Sterne mögliche Kandidaten eines gemeinsamen Ursprungs der gemessenen kosmischen Strahlung und PeV-Neutrinos sind. Sie können jedoch durch kosmogenische Neutrinos von LLGRBs abgegrenzt werden. Schließlich wenden wir unser Modell auf das Gravitationswellenereignis GW170817 an. Wir zeigen für verschiedene Jet-Szenarien, dass der erwartete Neutrinofluss weit unter der Sensitivität derzeitiger Instrumente liegt. Dennoch könnten verschmelzende Neutronensterne die kosmische Strahlung unterhalb des Knöchels erklären. / The origin of Ultra-High Energy Cosmic Rays (UHECRs) is still one of the most important open questions in astrophysics. Gamma-Ray Bursts (GRBs) were considered as potential sources as they are among the most energetic events known in the Universe. However, conventional GRB scenarios are strongly constrained by astrophysical neutrino data. In addition, cosmic ray composition measurements indicate the presence of heavy nuclei, which would disintegrate if the radiation fields in the source were too dense. In order to circumvent this dilemma, recent studies point towards hidden accelerators, which are intrinsically hard to detect. In this dissertation, we present novel approaches to efficiently and self-consistently calculate the nuclear processes in astrophysical sources. We quantify these interactions by means of the nuclear cascade, which describes the subsequent disintegration of heavy nuclei into lighter fragments. Even in sophisticated source-propagation models, as the ones developed in this thesis, conventional GRBs are in tension with neutrino data. However, we demonstrate that a population of low-luminosity GRBs is not only consistent with current constraints, but can even describe the UHECR spectrum and composition across the ankle as well as neutrino data simultaneously. From our fitting procedure we can further constrain certain source properties, such as the baryonic loading and the event rate. Furthermore, we show that stars disrupted by black holes are viable candidates for a simultaneous description of cosmic ray and PeV neutrino data too. However, they can be discriminated from LLGRBs by cosmogenic neutrinos. Finally, we apply our model to GW170817. We show for different jet scenarios that the expected neutrino flux is orders of magnitude below the sensitivity of current instruments. Nevertheless, binary neutron star mergers could in principle support cosmic rays below the ankle.

Utrahochenergetische kosmische Strahlung (ultra-high-energy cosmic rays -- UHECR) besteht aus ionisierten Atomkernen mit den höchsten Teilchenergien, die je gemessen wurden. Zwar wurden die Quellen von UHECRs noch nicht eindeutig identifiziert, doch gibt es deutliche Anzeichen, dass sie extragalaktisch sind. Um die Beobachtungen zu interpretieren, wird ein Modell der Wechselwirkungen mit Photofeldern sowohl in der Quelle als auch während der extragalaktischen Propagation benötigt. Bei diesen Wechselwirkungen werden sekundäre Neutrinos erzeugt. Diese Dissertation behandelt Modelle der Quellen von UHECRs und die damit verbundene Produktion von Neutrinos sowohl in den Quellen als auch während der Propagation. Dafür wurde ein neuer Code, PriNCe, für die Propagation von UHECRs entwickelt. Dieser Code wird in einem umfangreichen Parameterscan für ein generisches Quellenmodell angewendet, welches mit dem Spektralindex, der maximalen Rigidität, der kosmologischen Quellenverteilung und der chemischen Komposition als freie Parameter definiert ist. Dabei wird der Einfluss von verschiedenen Photodisintegrations- und Luftschauermodellen auf die erwarteten Eigenschaften der Quellen demonstriert. Der Fluss kosmogenischer Neutrinos, der sich daraus robust vorhersagen lässt, liegt außerhalb der Reichweite aller derzeit geplanten Neutrinodetektoren. GRBs als mögliche Quellen von UHECRs werden im Multi-Collision Internal-Shock Modell simuliert, welches die Abhängigkeit der Strahlungsprozesse von den verschiedenen Dissipationsradien im Plasmajet berücksichtigt. Für dieses Modell wird der Effekt demonstriert, den verschiedene Annahmen über die anfängliche Verteilung des Plasmajets und das hydrodynamische Modell auf die resultierende UHECR- und Neutrinosstrahlung haben. Für den Gammastrahlenblitz GRB170817A, welcher zusammen mit einem Gravitationswellensignal beobachtet wurde, werden Vorhersagen für den Neutrinofluss und ihre Abhängigkeit vom Beobachtungswinkel gemacht. / Ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) are the most energetic particles observed in the Universe. While the astrophysical sources of UHECRs have not yet been uniquely identified, there are strong indications for an extragalactic origin. The interpretation of the observations requires both simulations of UHECR acceleration and energy losses inside the source environment as well as interactions during extragalactic propagation. Due to their extreme energies, UHECR will interact with photons in these environments, producing a flux of secondary neutrinos. This dissertation deals with models of UHECR sources and the accompanying neutrino production in the source environment and during extragalactic propagation. We have developed a new, computationally efficient code, PriNCe, for the extragalactic propagation of UHECR nuclei. The PriNCe code is applied for an extensive parameter scan of a generic source model that is described by the spectral index, the maximal rigidity, the cosmological source evolution and the injected mass composition. In this scan, we demonstrate the impact of different disintegration and air-shower models on the inferred source properties. A prediction for the expected flux of cosmogenic neutrinos is also derived. GRBs are discussed as specific UHECR source candidates in the multi-collision internal-shock model. This model takes the radiation from different radii in the GRB outflow into account. We demonstrate how different assumptions about the initial setup of the jet and the hydrodynamic collision model impact the production of UHECRs and neutrinos. Motivated by the multi-messenger observation of GRB170817A, we discuss the expected neutrino production from this GRB and its dependence on the observation angle. We show that the neutrino flux for this event is at least four orders of magnitude below the detection limit for different geometries of the plasma jet.

Der Ursprung der ultrahochenergetischen kosmischen Strahlung (UHECRs) benötigt Modelle der photonuklearen kosmischen Strahlungsinteraktionen. In dieser Arbeit stelle ich Modelle vor, die drei Aspekte der Modellierung der Hochenergie-Astronuklearphysik verbessern: die Photomesonenproduktion durch Kerne der kosmischen Strahlung, die schwerer als Protonen sind, die Gammastrahlenemission von instabilen Kernen, die durch den Photodisintegrationsprozess der kosmischen Strahlung erzeugt werden, und die Simulation der extragalaktischen Ausbreitung von Kernen, die schwerer als Eisen sind (sogenannte superschwere Isotope). Das Photomesonenmodell ist das erste in der Literatur, das über das einfache Prinzip der Nukleonen-Superposition hinausgeht. Es liefert eine detailliertere Beschreibung der inelastischen Wirkungsquerschnitte und des emittierten Spektrums von Sekundärteilchen, einschließlich Isotopen und Pionen, die zu Photonen und Neutrinos führen. Die Auswirkungen des Modells werden in Simulationen von Gammastrahlenausbrüchen und Gezeitenstörungsereignissen gezeigt, und es beeinflusst signifikant die hochenergetische Neutrinoemission, die chemische Zusammensetzung und das Spektrum der emittierten UHECRs. Das zweite Modell beschreibt die Photoproduktion aus den De-Exzitationen und Zerfällen instabiler Kerne, die aus dem Photozerfall der kosmischen Strahlung in Wechselwirkung mit astrophysikalischen Photonen resultieren sollen. Ihre Wirkung wird am Photoemissionsspektrum des Kerns von Centaurus A veranschaulicht und mit ähnlichen Arbeiten verglichen, mit denen es Unstimmigkeiten gibt. Schließlich wird der Photodesintegration von UHECR überschweren Kernen diskutiert. Eine Wechselwirkungstabelle wird unter Verwendung von Querschnitten aus TALYS konstruiert, und die Wechselwirkungsraten werden im Zusammenhang mit der extragalaktischen Ausbreitung berechnet. Überschwere Kerne breiten sich in bestimmten Energiebereichen weiter aus als leichtere Kerne. / The origin of the ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs) is still unknown. Photonuclear interactions of cosmic rays are key to understanding this problem in a multimessenger context. Nuclear physics insights are crucial in building accurate models to interpret the data that indicates UHECR can be heavier than protons. This thesis presents models that improve three aspects of high-energy astronuclear physics modelling: photomeson production by cosmic-ray nuclei heavier than protons, gamma-ray emission from unstable nuclei created by the photodisintegration of cosmic rays, and the simulation of extragalactic propagation of nuclei heavier than iron (so-called superheavy isotopes). The photomeson model is the first in the literature to go beyond the simple principle of nucleon superposition. It provides a more accurate description of the inelastic cross sections, and the emitted spectrum of secondary particles, including isotopes and pions which lead to photons and neutrinos.The model’s impact is shown in simulations of gamma-ray bursts and tidal disruption events, and it affects significantly the high-energy neutrino emission, the chemical composition and the spectrum of the emitted UHECRs. The second model describes photoproduction from de-excitations and decay of unstable nuclei, which are expected to be produced in photo-disintegration of cosmic rays interacting with astrophysical photons. Its impact is illustrated in the photo-emission from the core of the Centaurus A and compared to similar works with which is in disagreement. This supports the need for sufficiently accurate models. Lastly, the photodisintegration of UHECR superheavy nuclei is discussed. An interaction table is produced with cross sections obtained from TALYS and the interaction rates computed in the context of extragalactic propagation. Superheavy nuclei propagate further than lighter nuclei in certain energy ranges. The models developed are publicly available as open-source software.