Stacked searches for high-energy neutrinos from blazars with IceCube

In the year 2013, the detection of a diffuse astrophysical neutrino flux with the IceCube neutrino telescope – constructed at the geographic South Pole – was announced by the IceCube collaboration. However, the origin of these neutrinos is still unknown as no sources have been identified to this day. Promising neutrino source candidates are blazars, which are a subclass of active galactic nuclei with radio jets pointing towards the Earth. In this thesis, the neutrino flux from blazars is tested with a maximum likelihood stacking approach, analyzing the combined emission from uniform groups of objects. The stacking enhances the sensitivity w.r.t. the still unsuccessful single source searches. The analysis utilizes four years of IceCube data including one year from the completed detector. As all results presented in this work are compatible with background, upper limits on the neutrino flux are given. It is shown that, under certain conditions, some hadronic blazar models can be challenged or even rejected. Moreover, the sensitivity of this analysis – and any other future IceCube point source search – was enhanced by the development of a new angular reconstruction method. It is based on a detailed simulation of the photon propagation in the Antarctic ice. The median resolution for muon tracks, induced by high-energy neutrinos, is improved for all neutrino energies above IceCube- lower threshold at 0.1TeV. By reprocessing the detector data and simulation from the year 2010, it is shown that the new method improves IceCube- discovery potential by 20% to 30% depending on the declination.Im Jahr 2013 wurde von der IceCube Kollaboration die Detektion eines diffusen astrophysikalischen Neutrinoflusses mit dem IceCube Neutrinoteleskop bekanntgegeben. Der Ursprung dieser Neutrinos ist jedoch unbekannt, da bis heute keine einzelnen Quellen identifiziert werden konnten. Vielversprechende Kandidaten sind Blazare, eine Unterklasse von aktiven galaktischen Kernen mit zur Erde gerichteten relativistischen Radiojets. In dieser Arbeit wird der Neutrinofluss von Blazaren mit einem Maximum-Likelihood-Stacking Ansatz getestet, welcher die Emission von einheitlichen Gruppen von Objekten analysiert. Das Stacking verbessert die Sensitivität im Vergleich zu den noch ergebnislosen Suchen nach einzelnen Punktquellen. Die Analyse verwendet vier Jahre IceCube Daten, einschließlich einem Jahr mit dem komplettierten Detektor. Da alle Ergebnisse in dieser Arbeit kompatibel mit der Nullhypothese sind, werden Obergrenzen für den Neutrinofluss gesetzt. Es wird gezeigt, dass unter bestimmten Bedingungen einige hadronische Blazarmodelle angegriffen oder sogar ausgeschlossen werden können. Darüber hinaus wurde die Sensitivität der Analyse - und aller zukünftigen IceCube Punktquellensuchen - durch die Entwicklung eines neuen Winkelrekonstruktionsverfahrens verbessert. Es basiert auf einer detaillierten Simulation der Photonenausbreitung im Eis der Antarktis und führt zu einer genaueren Spurrekonstruktion von Myonen über den gesamten Energiebereich. Anhand einer Reprozessierung der Detektordaten aus dem Jahr 2010 wird gezeigt, dass das neue Verfahren das Entdeckungspotential um 20% bis 30% verbessert