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.

Das IceCube Neutrino Teleskop hat einen diffusen Fluss hochenergetischen astrophysikalischen Neutrinos entdeckten. Allerdings sind die Quellen die für die Mehrzahl der nachgewiesenen Neutrinos verantwortlich sind, noch unbekannt. Diese Arbeit untersucht die Möglichkeit, dass der beobachtete Neutrino-Fluss im Zentrum von aktiven galaktischen Kernen (AGN) erzeugt wird. Eine Stacking-Analyse wird durchgeführt, um die Korrelation zwischen verschiedenen Subpopulationen von AGN und hochenergetischen Neutrinos unter Verwendung von IceCube-Daten aus acht Jahren zu testen. AGN werden anhand ihrer Radioemission, Infrarot-Farbeigenschaften und ihres Röntgenflusses. Die Leuchtkraft der Akkretionsscheibe wird verwendet, um den Beitrag ausgewählter Galaxien zum Neutrinosignal zu gewichten. Die leuchtende AGN-Population trägt zu ~52% des von IceCube gemessenen diffusen Flusses bei 100 TeV mit einem Best-Fit-Spektralindex von 2 bei mit 2.83 sigma post-trial Signifikanz. Für die AGN-Probe mit geringer Leuchtkraft wird eine Signifikanz nach dem Versuch von nur 0.66 sigma gefunden, daher werden Obergrenzen festgelegt. Unter Annahme des Spektralindex für den astrophysikalischen Fluss von 2 und einer gleichverteilten gleiche Zusammensetzung Neutrinoflavour-Zusammensetzung auf der Erde, wird eine obere Flussgrenze berechnet, die den maximalen Beitrag der Kerne von AGN mit geringer Leuchtkraft zum diffusen TeV-PeV-Neutrino-Fluss auf ~51% bei 100 TeV beschränkt. Für diese Arbeit wurde auch eine neue Rekonstruktionsmethode entwickelt. In IceCube werden hochenergetische Myon-neutrinos durch die sekundären Myonen identifiziert, die durch Wechselwirkungen über geladene Ströme mit dem Eis erzeugt werden. In dem hier vorgestellten Rekonstruktionsschema wird die erwartete Ankunftszeitverteilung durch ein vorbestimmtes stochastisches Myon-Energieverlustprofil parametrisiert. Diese realistischere Parametrisierung führt zu einer Verbesserung der Myon-Winkelauflösung in IceCube um etwa 20%. / The IceCube neutrino telescope has measured a diffuse flux of high-energy astrophysical neutrinos. However, the sources responsible for the emission of the majority of the detected neutrinos are still unknown. The goal of this thesis is to explore the possibility that the neutrino flux observed by IceCube is produced in the cores of Active Galactic Nuclei (AGN). A stacking analysis is conducted to test for a correlation between various sub-populations of AGN and high-energy neutrinos using eight years of IceCube data. AGN are selected based on their radio emission, infrared color properties, and X-ray flux using the NVSS, AllWISE, ROSAT and XMMSL2 catalogs. The accretion disk luminosity estimated by the observed soft X-ray flux is used as a proxy for the contribution of selected galaxies to the neutrino signal. Two of the three AGN samples tested in this analysis show over-fluctuations, with the highest significance being of 2.83 sigma after trial correction. The luminous AGN population is found to contribute to ~52% of the diffuse flux measured by IceCube at 100 TeV with a best-fit spectral index of 2. For the low-luminosity AGN sample a post-trial significance of only 0.66 sigma is found, therefore upper limits are set. Assuming the spectral index for the astrophysical flux to be 2 and an equal composition of neutrino flavours arriving at Earth, an upper flux limit is calculated which constrains the maximal contribution of the cores of low-luminosity AGN to the diffuse TeV-PeV neutrino flux to be ~51% at 100 TeV. A new reconstruction method has also been developed for this thesis. In IceCube high-energy muon neutrinos are identified through the secondary muons produced via charge current interactions with the ice. In the reconstruction scheme presented in this thesis, the expected arrival time distribution is parameterized by a predetermined stochastic muon energy loss pattern, leading to an improvement of about 20% to the muon angular resolution of IceCube.

Das IceCube Neutrino Observatorium am Südpol hat die Existenz eines diffusen astrophysikalischen Neutrinoflusses nachgewiesen. Die Flavor-Zusammensetzung astrophysikalischer Neutrinos trägt Informationen über Orte kosmischer Teilchenbeschleunigung und Auswirkungen potenzieller neuer Physik auf die Neutrinoausbreitung. Zur seiner Bestimmung ist die Beobachtung von Tau-Neutrinos nötig. Ab einer Energie von ~O(100 TeV) kann deren Wechselwirkung über geladene Ströme eine Doppelkaskaden-Topologie ergeben, bei der die zwei Energiedepositionen am Tau-Entstehungs- und Tau-Zerfallsvertex aufgelöst werden können. Diese wird zusammen mit den bereits bekannten Topologien Einzel-Kaskade und Spur zur Messung der Flavor-Zusammensetzung auf der Erde benutzt. In dieser Arbeit werden im Detektorvolumen von IceCube anfangende Ereignisse mit hohen Energien algorithmisch in drei Topologien klassifiziert. Im Datensatz mit einer Lebensdauer von 7.5 Jahren werden zum ersten Mal zwei Doppelkaskaden identifiziert; diese sind Kandidaten für Tau-Neutrinos. Die Eigenschaften der zwei Tau-Neutrino-Kandidaten werden in einer a-posteriori Analyse im Detail studiert. Die statistische Methode wird durch einen Log-Likelihood-Quotienten-Test mit multi-dimensionalen Wahrscheinlichkeitsdichten verbessert. Eine der Doppelkaskaden ist konsistent mit dem Szenario einer misklassifizierten Einzelkaskade, während für die zweite Doppelkaskade die Wahrscheinlichkeit eines nicht-Tau-Neutrino Szenarios auf nur 3% bestimmt wird. Die gemessene Flavor-Zusammensetzung ist konsistent mit der Annahme von astrophysikalischen Neutrinos sowie mit bisher veröffentlichen Resultaten. Die Messung ergibt einen astrophysikalischen Tau-Neutrino Fluss von dPhi / dE=3.0 (-1.8,+2.2) (E / 100TeV)^(-2.87) 10^(-18) GeV^(-1) cm^(-2) s^(-1) sr^(-1), was dem ersten positiven Ergebnis für die Tau-Normalisierung entspricht. Die Nichtexistenz eines astrophysikalischen Tau-Neutrino Flusses wird mit einer Signifikanz von 2.8 sigma abgelehnt. / The IceCube neutrino observatory at the South Pole has confirmed the existence of a diffuse astrophysical neutrino flux. The flavor composition of astrophysical neutrinos carries information on the environments at the sites of cosmic particle acceleration as well as potential imprints of new physics acting during neutrino propagation. To measure the flavor composition the observation of the long-elusive tau neutrinos is required. Starting at an energy of ~O(100 TeV) a tau neutrino charged current interaction can produce a double cascade topology, where the two energy depositions from the tau creation and the tau decay vertices are resolvable. This topology together with the well-established track and single cascade topology is used to measure the flavor composition on Earth. In this work, high-energy events starting in IceCube's detector volume are classified algorithmically into the three topologies. In the dataset with a livetime of 7.5 years, two events are classified as double cascades for the first time, yielding multi-TeV tau-neutrino candidates. The properties of the two tau-neutrino candidates are investigated in an a-posteriori analysis. The statistical method is improved by performing a log-likelihood-ratio test using multi-dimensional probability densities. One of the double cascades is consistent with being a misclassified single cascade, while the second double cascade is found to have a misclassification probability of only 3%. The measured flavor composition nu_e:nu_mu:nu_tau = 0.20:0.39:0.42 is consistent with astrophysical neutrinos and with previously published results. The astrophysical tau-neutrino flux is measured to dPhi / dE=3.0 (-1.8,+2.2) (E / 100TeV)^(-2.87) 10^(-18) GeV^(-1) cm^(-2) s^(-1) sr^(-1) with spectral index gamma=2.87 (-0.20,+0.21), yielding the first non-zero results for the tau normalization. The absence of an astrophysical tau-neutrino flux is disfavored at 2.8 sigma.

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