It is natural to consider the possibility that the most energetic particles detected (> 10^18 eV), ultra-high-energy cosmic rays (UHECRs), are originated at the most luminous transient events observed (> 10^52 erg s^-1), gamma-ray bursts (GRBs). As a result of the interaction of highly-accelerated, magnetically-confined protons and ions with the photon field inside the burst, both neutrons and UHE neutrinos are expected to be created: the former escape the source and beta-decay into protons which propagate to Earth, where they are detected as UHECRs, while the latter, if detected, would constitute the smoking gun of hadronic acceleration in the sources. Recently, km-scale neutrino telescopes such as IceCube have finally reached the sensitivities required to probe the neutrino predictions of some of the existing GRB models. On that account, we present here a revised, self-consistent model of joint UHE proton and neutrino production at GRBs that includes a state-of-the-art, improved numerical calculation of the neutrino flux (NeuCosmA); that uses a generalised UHECR emission model where some of the protons in the sources are able to "leak out" of their magnetic confinement before having interacted; and that takes into account the energy losses of the protons during their propagation to Earth. We use our predictions to take a close look at the cosmic ray-neutrino connection and find that the current UHECR observations by giant air shower detectors, together with the upper bounds on the flux of neutrinos from GRBs, are already sufficient to put tension on several possibilities of particle emission and propagation, and to point us towards some requirements that should be fulfilled by GRBs if they are to be the sources of the UHECRs. We further refine our analysis by studying a dynamical burst model, where we find that the different particle species originate at distinct stages of the expanding GRB, each under particular conditions. Finally, we consider a possibility of new physics: the effect of neutrino decay in the flux of UHE neutrinos from GRBs. On the whole, our results demonstrate that self-consistent models of particle production are now integral to the advancement of the field, given that the full picture of the UHE Universe will only emerge as a result of looking at the multi-messenger sky, i.e., at gamma-rays, cosmic rays, and neutrinos simultaneously. / Es ist eine natürliche Annahme, dass die energiereichsten beobachteten Teilchen (> 1018 eV), die ultra-hochenergetische Kosmische Strahlung (UHECRs), möglicherweise in Verbindung mit den leuchtkräftigsten zeitlich beschränkten Ereignissen (> 1052 erg s−1), sogenannten Gammablitzen (GRBs), stehen. Als Folge der Wechselwirkungen zwischen den extrem beschleunigten, in Magnetfeldern gefangenen Protonen und Ionen und den Photonfeldern im Inneren der Gammablitze wer- den sowohl Neutronen als auch UHE Neutrinos erwartet. Erstere köonnen die Quelle verlassen und zerfallen zu Protonen via β-Zerfall, welche zur Erde propagieren und dort als UHECR detektiert werden köonnen, während Letztere, wenn detektiert, den eindeutigen Beweis für die Beschleunigung von Hadronen in besagten Quellen erbringen würden. Vor Kurzem haben km3-große Neutrinoteleskope, wie IceCube, endlich die benötigte Sensitivität erreicht, um die Neutrinovorhersagen für einige existierende GRB-Modelle zu testen. In diesem Zusammenhang präsentieren wir hier ein überarbeitetes, selbstkonsistentes Modell der gemein- samen Produktion von UHE Protonen und Neutrinos in GRBs. Dieses enthält eine hochmoderne, verbesserte numerische Kalkulation des Neutrinoflusses (NeuCosmA), ein verallgemeinertes Emissionsmodell für UHECR, welches darauf beruht, dass einige Protonen direkt aus den Magnetfeldern innerhalb der Quelle entkommen können ohne wechselzuwirken, und bezieht die Energieverluste der Protonen auf ihrem Weg zur Erde mit ein. Wir nutzen unsere Voraussagen, um einen genaueren Blick auf die Verbindung zwischen Kosmischer Strahlung und Neutrinos zu werfen, und stellen fest, dass aktuelle UHECR Beobachtungen mittels gigantischen Luftschauerdetektoren zusammen mit den oberen Schranken auf den Neutrinofluss von GRBs bereits ausreichen, um Widersprüche zu einigen Emissions- und Propagationsmodellen aufzuzeigen, und deuten uns in die Richtung einiger Voraussetzungen, die von GRBs erfüllt sein müssen, sollten diese die Quellen der UHECRs sein. Des Weiteren verfeinern wir unsere Analyse, indem wir ein dynamisches Explosionsmodell studieren, mittels welcher wir herausfinden, dass unterschiedliche Teilchen von bestimmten Phasen des expandieren GRBs stammen, welche durch unterschiedliche Bedingungen charakterisiert sind. Zum Schluss betrachten wir die Möglichkeit von ”neuer Physik”, den Zerfall von UHE Neutrinos im Neutrinofluss von GRBs. Im Großen und Ganzen zeigen unsere Ergebnisse, dass selbstkonsistente Modelle mittlerweile ein integraler Bestandteil für den Fortschritt dieses Feldes geworden sind, wenn man berücksichtigt, dass der Gesamtzusammenhang des UHE Universums erst sichtbar wird, wenn man den Himmel in unterschiedlichen Kanälen betrachtet, genauer gesagt gleichzeitig in Gammastrahlung, in Kosmischer Strahlung und in Neutrinos.

Thesis (M. Sc.)--University of Canterbury, 2008. / Typescript (photocopy). Includes bibliographical references (p. 60-63). Also available via the World Wide Web.

Thesis (Ph.D.)--Drexel University, 2009. / Includes abstract and vita. Includes bibliographical references (leaves [88]-98).

Techn. Universiẗat, Diss., 2007--Darmstadt.

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2005. / Vita. Includes bibliographical references (p. 209-222).

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2008. / Vita. Includes bibliographical references.

Title: Sterile neutrino physics at NOvA experiment Author: Róbert Králik Institute: Institute of Particle and Nuclear Physics Supervisor: RNDr. Karel Soustružník, Ph.D., Institute of Particle and Nuclear Physics Abstract: NOvA sterile neutrinos search via neutral current (NC) disappearance analysis is moving to a two-detector fit method to be able to fit to a wider range of sterile neutrino oscillations parameters. This introduces among other things a bigger contribution of the neutrino flux systematic uncertainty, which currently makes up the largest overall uncertainty for the ongoing NC disappearance anal- ysis. This thesis focuses on reducing this uncertainty and looks for different ways of making a more precise prediction of the neutrino flux. We point out Horn-Off analysis as the base for doing so and describe the production of a new Horn-Off simulation and the analysis of the Horn-Off results. We were not able to draw any conclusions that would reduce the NC disappearance systematic uncertainty, but the results showed herein can be helpful in the future attempts at a better neutrino flux prediction and a lower neutrino flux systematic uncertainty. Keywords: sterile neutrino neutrino flux NOvA 1

Das IceCube Neutrino Observatory, das größte Neutrino-Observatorium der Welt, entdeckte 2013 erstmals einen Fluss hochenergetischer Neutrinos. Diese Neutrinos müssen von astrophysikalischen Beschleunigern erzeugt werden, aber ihr genauer Ursprung ist bisher unbekannt. Vorgeschlagene Neutrinoquellen sind Gezeitenkatastrophen (Tidal Disruption Events, TDEs), Ereignisse bei denen Sterne zerfallen, wenn sie supermassiven Schwarzen Löchern zu nahe kommen. In dieser Doktorarbeit wurde erstmals nach Korrelationen zwischen Neutrinos und TDEs gesucht, wobei eine Zusammenstellung veröffentlichter TDEs und ein IceCube-Datensatz von einer Million Myon-Neutrinos mit GeV-PeV-Energien von verwendet wurde. Es wurde keine signifikante Korrelation gefunden, sodass der Beitrag von TDEs ohne relativistische Jets auf 0-38,0% des gesamten astrophysikalischen Neutrinoflusses begrenzt werden kann. Der Beitrag von TDEs mit relativistischen Jets wurde auf 0-3,0% des Gesamtflusses begrenzt. IceCube veröffentlicht auch hochenergetische (>100 TeV) Myon-Neutrino-Ereignisse in Form von automatischen, öffentlichen Echtzeit-‘Neutrinoalerts’. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Lokalisierung von 22 solcher Neutrinoalerts mit dem optischen Zwicky Transient Facility (ZTF) Teleskop beobachtet, um nach möglichen elektromagnetischen Gegenstücken zu Neutrinos zu suchen. Mit diesem Neutrino-Nachfolgebeobachtungsprogramm wurde die helle TDE AT2019dsg als mutmaßliche Neutrinoquelle identifiziert. Die Wahrscheinlichkeit, solch eine helle TDE zufällig zu finden, beträgt 0,2%. Die Assoziation bedeutet, dass TDEs 3-100% der astrophysikalischen Neutrino-Alerts von IceCube ausmachen. Zusammengenommen deuten diese beiden Ergebnisse darauf hin, dass TDEs einen subdominanten Anteil des astrophysikalischen Neutrinoflusses bei hohen Energien emittieren. Die Assoziation des Neutrinoalerts IC191001A mit AT2019dsg ist erst das zweite Mal, dass ein hochenergetisches Neutrino mit einer mutmaßlichen astrophysikalischen Quelle in Verbindung gebracht werden konnte. / The IceCube Neutrino Observatory, the world’s largest neutrino observatory, first discovered a flux of high-energy neutrinos in 2013. These neutrinos must be produced by astrophysical accelerators, but their exact origin remains unknown. One proposed source of neutrinos are Tidal Disruption Events (TDEs), which occur when stars disintegrate after passing sufficiently close to supermassive black holes. In this thesis, the first search for neutrino-TDE correlations was performed, using a compilation of published TDEs and a dataset of one million muon neutrino events of GeV-PeV energies from IceCube. No significant correlation was found, limiting the contribution of TDEs without relativistic jets to 0-38.0% of the total astrophysical neutrino flux. The contribution of TDEs with relativistic jets was limited to 0-3.0% of the total flux. IceCube also publishes high-energy (>100 TeV) probable astrophysical muon neutrino events automatically, in the form of public realtime alerts. As part of this thesis, the location of 22 such neutrino alerts were observed by the Zwicky Transient Facility (ZTF), an optical telescope, in order to search for possible electromagnetic counterparts to neutrinos. With this neutrino follow-up program, the bright TDE AT2019dsg was identified as a probable neutrino source. The probability of finding such a bright TDE by chance is 0.2%. The association implies that TDEs contribute 3-100% of the astrophysical neutrino alerts issued by IceCube. Taken together, these two results suggest that TDEs emit a subdominant fraction of the astrophysical neutrino flux at high energies. The association of neutrino alert IC191001A with AT2019dsg represents only the second time that a high-energy neutrino has been matched to a probable astrophysical source.

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The Borexino solar neutrino detector is a real-time liquid scintillator detector designed to measure sub-MeV neutrinos. With its unprecedented level of radio-purity, Borexino is poised to provide the most precise measurements to-date of solar neutrino and geo-antineutrino fluxes. However, in order to reduce the systematic errors to sub-5% levels, the detector must be care- fully calibrated to understand, among other things, the position and energy reconstructions. To that end, the Virginia Tech component of the Borexino collaboration has constructed a system for deploying and locating calibration sources within the detector. The system was used in four separate calibration campaigns and deployed numerous sources in almost 300 locations throughout the detector. The data from the calibrations have already resulted in the reduction of several sources of systematic error by a factor of two or more. With the results from the calibration, the Borexino detector has entered a new era of low- energy, high-precision, neutrino detection. This work was supported by NSF Grant 0802114 / Ph. D.