Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 01/05

Die moderne Astrophysik steht vor der Herausforderung, neueste

Beobachtungen mit den theoretischen und numerischen Modellen der

Galaxienentstehung und -entwicklung zu konfrontieren. So hofft man, die

wichtigsten physikalischen Prozesse und ihre Zeitskalen identifizieren zu

koennen.

In dieser Arbeit nehmen wir eine komplette, helligkeits--limitierte Auswahl

von 1862 Galaxien aus der Sloan Digital Sky Survey (SDSS), um eine Anzahl

von globalen und strukturellen Parametern zu untersuchen. Diese Auswahl

beinhaltet helle Objekte mit einer r--Band Helligkeit von < 15.9 im nahen

Universum mit einer Rotverschiebung von z < 0.12. Sie enthaelt

elliptische, Spiral- und irregulaere Galaxien. Photometrische Daten sind

fuer die u, g, r, i und z--Baender angegeben und von 1588 Galaxien

wurden

nachtraeglich Spektra genommen. Die `Bulge' Komponente der Galaxien

wird mit Sersic und de Vaucouleurs Modellen modelliert, waehrend die

Scheibenkomponente mit einer exponentiellen Verteilung modelliert wird.

Die Messung des Lichtanteils in `Bulge' und Scheibenkomponente gibt

Aufschluss ueber die Effizienz des hierarchischen

Strukturbildungsprozesses.

In Kapitel 3 zeigen wir, dass der mittlere Anteil des

Lichts aus der

Scheibe stark mit der totalen absoluten Helligkeit der Galaxie zunimmt.

Unabhaengige r und i Band Analysen ergeben einen sehr aehnlichen Trend.

Zum ersten Mal schaetzen wir den volumengemittelten Anteil des Lichts aus

der Scheibenkomponente von Galaxien ab und stellen fest, dass ungefaehr

(55 +- 2) % des gesamten Lichts im lokalen Universum aus Scheiben kommt.

Wir ermitteln auch die Leuchtkraftfunktion fuer reine 'Bulges', also fuer

Strukturen ohne Scheibenanteil, die nicht einfache Spheroide sind.

In Kapitel 4 studieren wir die Abhaengigkeiten von visuellen und

quantitativen morphologischen Klassifikationskriterien mit dem Ziel

sauberere Galaxienkataloge zu erstellen, besonders bei hohen

Rotverschiebungen, wo die Klassifikation schwierig ist. Wir finden, dass

Galaxienfarben, effektive Oberflaechenhelligkeit, Masse/Licht Anteil, und

Asymmetrie Parameter einen Mehrparameter Raum aufspannen, in der alle

Galaxien je nach morphologischem Typ eindeutig positioniert sind.

In Kapitel 5 beobachten wir einen klaren Trend, mit dem die Skalenlaenge

der Scheiben mit ihrer Helligkeit zunimmt, und dieser Trend ist

unabhaengig vom photometrischen Band und der morphologischen Klasse. Es

existiert auch eine klare Abhaengigkeit zwischen dem effektiven Radius des

`Bulge' und seiner Helligkeit, aber die Steigung dieser Relation aendert

sich mit dem morphologischem Typ. Sie ist steiler fuer fruehere Typus, was

uns zu der Schlussfolgerung fuehrt, dass die Skalenlaenge weniger von der

Morphologie abhaengt als die Skalenlaenge des `Bulges'. Dies legt nahe,

dass `Bulges' in fruehen und spaeteren Galaxien in unterschiedlichen

Prozessen gebildet werden. Wir finden auch eine Korrelation zwischen den

strukturellen Parametern von Scheiben und `Bulges', insbesondere zwischen

effektivem Radius der `Bulges' und der Skalenlaenge der Scheiben in

Systemen fruehen Typus. Wir interpretieren dies als Beweisstueck

zugunsten von saekularen Evolutionsmodellen.

This work presents the results of a detailed study of the statistical and physical properties of binary ultracool dwarfs and brown dwarfs (spectral type later than M7).

As for the statistical properties, we found that the frequency of binaries among ultracool objects is significantly lower than for earlier type objects, with a lower limit at 10--15% in the field, and <10% in the Pleiades Open cluster. While we were sensitive to systems with separations up to 100 A.U, we did not find any multiple system with separation greater than 20 A.U. At even larger separations, no wide binaries were reported by the all sky surveys such as 2MASS, DENIS or SDSS. The distribution of separations looks similar to that of F and G dwarfs (Gaussian), but with a peak at 4--8 A.U. Although we were sensitive to mass ratios down to 0.65, we found most of the objects to have mass ratios larger than 0.85. This latter result needs to be confirmed by further statistical studies on well defined statistical samples. Although the sample of known binaries in the Pleiades is too small for a similar analysis, we note that the binary frequency, the distributions of mass ratio and separations are similar, indicating that the properties of binary brown dwarfs might not depend on the age and environment after 125 Myr. Finally, although we did not have the opportunity to perform a similar statistical study in a star forming region, we report the first detection of a young binary brown dwarf with a disk in the R-CrA association.

These results provide strong constraints on the models of ultracool dwarf formation and evolution. The binary frequency is currently not reproduced by any of these models. The models of ejection could explain the lack of binaries wider than 20 A.U and the apparent preference for equal mass systems, but they predict a much lower binary frequency. The model assuming that brown dwarfs form in a smilar way than stars could reproduce the binary frequency we observe, but could not explain the distributions of separation and mass ratio. More efforts are required on the theoretical side in order to better explain the observed properties, and on the observational side to give new and improved constraints.

As for the physical properties, our observations lead to the discovery of a short period binary L dwarf. Observations at high angular resolution spread over 4 years allowed us to follow the companion on 60% of its orbit. For the first time, we were then able to compute the orbital parameters and total mass of such a very low mass object. In the near future, similar studies should enable us to calibrate brown dwarf mass and luminosity models. Using high angular resolution spectroscopy, we were able to disentangle the spectra of the individual components of 4 binary ultracool dwarfs and to compute their spectral types. Two binaries have companions with spectral types significantly later than their primary (by 3 to 4 spectral subclasses), allowing us to compare the evolution of their effective temperature and atmosphere. Finally, using our high angular resolution images, we were able to detect a possible third component in one of the binaries of our sample.

Die Arbeit liefert neue Beiträge zu zwei wichtigen biophysikalischen Fragestellungen der Peptid-/Proteinfaltung: 1. Welchen Einfluss hat das Lösungsmittel auf die initiale Konformationsdynamik? Das Molekül Azobenzol dient dazu, gezielt in einem ringförmigen Oktapeptid getriebene Konformationsänderungen auszulösen. Azobenzol isomerisiert nach Lichtanregung innerhalb weniger Pikosekunden. Es werden neue Ergebnisse zum Isomerisierungsmechanismus präsentiert, die wichtige Hintergrundinformationen zum Verständnis der Moleküldynamik liefern. Durch die Isomerisation ändert sich die Länge des Azobenzols um fast den Faktor zwei, wodurch in den Azobenzol-Peptiden konformationelle Umorganisationen ausgelöst werden. Bereits früher durchgeführte Messungen an DMSO-löslichen Azobenzol-Peptiden zeigten, dass kinetische Prozesse, die mit Zeitkonstanten von ~10ps und ~100ps ablaufen, der Bewegung des Peptid-Teils zugeordnet werden können. Die hier präsentierten Ergebnisse an Azobenzol-Peptiden, die in Wasser löslich sind zeigen, dass Prozesse auf Zeitskalen >5 ps in Wasser um den Faktor 1.5-2 beschleunigt ablaufen. Man sieht in diesen ultraschnellen Kinetiken echte Umorganisationen des Peptid-Rückgrats, deren Geschwindigkeit durch die Viskositat des Lösungsmittels bestimmt sind 2. Wie schnell ist die Kontaktbildung in Peptiden? Fur ein Verständnis der Proteinfaltung ist wichtig zu wissen, wie lange es dauert, bis zwei (räumlich entfernte) Aminosäuren innerhalb eines Peptids einen Kontakt ausbilden. Zur Bestimmung dieser Kontaktbildungsrate werden Experimente an Xanthon-Peptiden präsentiert, die zwei Marker-Moleküle enthalten. Messungen ergeben, dass der durch einen kurzen Lichtimpuls angeregte Donor Xanthon innerhalb weniger Pikosekunden einen langlebigen Triplett-Zustand besetzt. Weiterhin wird gezeigt, dass bei direktem Kontakt zum Akzeptor Naphthalin ein Triplett-Triplett Energietransfer innerhalb <=1 ps stattfindet. Das System Xanthon/Naphthalin bildet somit ein ideales Paar von Marker-Molekülen. In den hier untersuchten Peptiden sind Donor und Akzeptor durch zwei (bzw. sechs) Aminosäuren voneinander getrennt und man findet für alle Peptide zwei Zeitkonstanten für die Kontaktbildung. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die Peptide im Gleichgewicht in zwei Sub-Ensembles vorliegen: etwa ein Viertel der Peptide befinden sich in einer eher kompakten Form, von der aus eine Kontaktbildung mit einer Zeitkonstanten von ca. 250 ps erfolgen kann, der Rest der Peptide ist in einer eher gestreckten Konformation und die Kontaktbildung erfolgt mit einer Zeitkonstanten im Bereich 6-14 ns.

In dieser Doktorarbeit studiere ich die Entstehung und Entwicklung von Galaxien in Galaxienhaufen sowohl theoretisch als auch unter Einbeziehung von Beobachtungsdaten. Diese Doktorarbeit gliedert sich in zwei Teile: Einem theoretischen Teil schliesst sich eine Datenanalyse an. Im ersten Kapitel beschreibe ich warum Galaxienhaufen wichtig sind, erklaere die Motivation und Zielsetzung der in dieser Arbeit verwendeten Analyse und erlaeutere den dafuer noetigen theoretischen Hintergrund als auch den Hintergrund fuer die Beobachtungen. Zuerst untersuche ich die Vorhersagen des hierarchischen `Modells der kalten dunklen Materie' fuer die beobachteten Eigenschaften der Population von Galaxien in Galaxienhaufen und fuer ihre Entwicklung als Funktion der kosmischen Rotverschiebung. Ich verwende eine grosse Anzahl von hochaufgeloesten numerischen Simulationen von Galaxienhaufen zusammen mit einer hochaufgeloesten Simulation einer `typischen' Region des Universums. Die grosse Aufloesung der verwendeten Simulationen ermoeglicht es mir, die Entwicklung der Zentren der dunklen Materiehalos zu verfolgen, welche mit groesseren Strukturen zusammenwachsen. Dies erlaubt eine eindeutige Identifizierung leuchtender Galaxien in den Haufen und Substrukturen der dunklen Materie. Diese Analyse ist Bestandteil des zweiten Kapitels. Um eine enge Verbindung zwischen den theoretische Vorhersagen und den Beobachtungen zu ziehen, entwickle ich ein semi-analytisches Programm, welches selbstkonsistent die photometrische und chemische Entwicklung der Galaxien in den Haufen, als auch die chemische Geschichte des Gases innerhalb der Haufen

und innerhalb der Galaxien verfolgt. Dabei modelliere ich den Transport von Masse und Metallen zwischen den Sternen, das kalte Gas in Galaxien, das heisse Gas in dunklen Materiehalos, und das intergalaktische Gas ausserhalb der

virialisierten Halos. Ausserdem modelliere ich die Effekte von Staub auf die emittierte Strahlung von Galaxien. Das dritte Kapitel beschreibt das semi-analytische Modell im Detail und zeigt einen Vergleich mit einer Anzahl von Beobachtungsergebnissen fuer Galaxien aus nahen Haufen. Im folgenden verwende ich dieses Modell, um die Anreicherung des intergalaktischen Mediums und des Gases innerhalb der Galaxienhaufen mit den chemischen Elementen als Funktion der Zeit zu studieren. Dabei untersuche ich, zu welchem Zeitpunkt der Grossteil der Anreicherung stattfand und welche Galaxien den groessten Beitrag lieferten. Im weiteren Verlauf analysiere ich die beobachtbaren Merkmale verschiedener Modelle von Rueckkopplungsmechanismen. Dabei zeige ich, dass die beobachtete Abnahme des baryonischen Massenanteils von Galaxienhaufen zu Gruppen nur in einem `extremen' Modell reproduziert werden kann, in welchem das

wiederausgestossene Material auf einer Zeitskala wiederaufgenommen wird, die vergleichbar mit der Hubblezeit ist. Die Resultate dieser Untersuchungen werden in Kapitel 4 praesentiert. Der zweite Teil meiner Doktorarbeit handelt von der Interpretation von Daten des `ESO Distant Cluster Surveys' (EDisCS). Dieses `ESO Large Program' hat das Ziel, die Entwicklung der Galaxien in Galaxienhaufen ueber mehr als 50 Prozent der kosmischen Zeit zu studieren. Es verbindet die photometrische und spektroskopische Information einer grossen Auswahl von Galaxienhaufen bei

Rotverschiebungen um 0.5 und 0.8. Ich fuehre eine detaillierte dynamische und strukturelle Analyse einer Untermenge der EDisCS Galaxienhaufen durch, fuer welche vollstaendige photometrische und spektroskopische Daten

vorhanden sind. Im besonderen entwickle ich eine Methode, um Substruktur zu quantifizieren, welche der projizierten raeumlichen Verteilung als auch der Geschwindigkeitsverteilung Rechnung traegt. Die Ergebnisse werden dann detailiert mit Resultaten der numerischen Simulation verglichen. Im Kapitel 5 diskutiere ich, wie die Erweiterung der Methode auf den gesamten EDisCS Datensatz wichtige Einschraenkungen auf die relative Bedeutung der

versch

This thesis describes the search for the Higgs boson in H->WW(*) decays in

proton anti-proton collisions with data taken at the D0 experiment at the

Tevatron collider. The data set was taken between April 2002 and September 2003 and has an integrated luminosity of approximately 147 pb^-1. An analysis of the di-muon decay channel of the W pairs was developed which can be scaled to higher luminosities up to the full data set to be taken until 2009 at the Tevatron collider. The number of events observed in the current data set is consistent with expectations from standard model backgrounds. Since no excess is observed, cross-section limits at 95% confidence level for H->WW(*) production have been calculated both standalone and also in combination with other lepton decay channels. The production of W pairs is one major background in the search of H->WW(*) decays. Hence a first measurement of the WW production cross-section with the D0 experiment is presented. Experience gained during this analysis has shown the precise track reconstruction is an essential tool for both measurements. This thesis closes with a contribution to precise tracking in the ATLAS experiment at the future Large Hadron Collider (LHC). An alignment system for ATLAS muon drift chambers at the cosmic ray measurement facility at LMU Munich is presented.

Die Spektroskopie eines verbotenen optischen Übergangs eines

einzelnen Ions verspricht ein optisches Frequenznormal mit einer

Genauigkeit im Bereich von 10^(-18) zu ermöglichen. Die

Vorraussetzungen dafür sind neben außergewöhnlich geringen

systematischen Frequenzverschiebungen des Referenzübergangs ein

hohes Maß an Kontrolle der Bewegung des Ions, realisiert durch

die Speicherung und Laserkühlung in einer Quadrupolfalle und die

daraus resultierende, praktisch unbegrenzte Beobachtungszeit.

Diese Arbeit beschreibt Experimente im Hinblick auf die

Realisierung eines der aussichtsreichsten Kandidaten für ein

optisches Frequenznormal, einem gespeicherten Indium-Ion.

Zunächst wird in Kapitel 2 das Konzept der Indium-Uhr, der

bisher experimentell erreichte Stand der Spektroskopie, mit einer

relativen Auflösung von 10^(-13), und eine Abschätzung

der limitierenden Verschiebungen des 1S0-3P0 Referenzübergangs

dargestellt. Kapitel 3 führt danach in das

Prinzip der Speicherung und die konkrete Umsetzung im

In+-Experiment ein, behandelt dabei auftretende Probleme und

liefert mögliche Lösungen.

In Kapitel 4 wird eine neu implementierte Methode der

Photoionisation von Indium-Atome vorgestellt, die mit nur einem

Laser bei 410 nm über eine Zweiphotonen-Anregung zur Ionisierung

führt. Gegenüber der bislang verwendeten Elektronenstoßmethode

konnte damit die Ionisierungseffizienz um zwei Größenordnungen

gesteigert, und so Probleme, die einen kontinuierlichen Betrieb

des Frequenznormals behindern, vermieden werden.

Im Hinblick auf eine Erhöhung der Mittelungszeit wurde ein

kontinuierlich betreibbares Kühllasersystem aufgebaut, das in Kapitel 5 beschrieben wird. Ein gitterstabilisierter Diodenlaser

bei 922 nm wird zunächst in seiner Frequenz auf unter 100 Hz

relativ zu einem Referenzresonator stabilisiert. Nach dem

Durchgang durch einen frequenztreuen Trapezverstärker werden danach in

einer ersten Frequenzverdopplung mit Hilfe eines periodisch

gepolten KTP-Kristalls mehr als 200 mW blaues Licht bei 461 nm

erzeugt. Eine zweite Frequenzverdopplung mit BBO führt nachfolgend

zu etwa 1 mW bei 231 nm, der Wellenlänge des 1S0-3P1

Kühlübergangs von In+. Neben der demonstrierten Nutzung im

Indium-Experiment bietet sich dieses System durch seine große

Leistung im blauen Spektralbereich, die weite Durchstimmbarkeit

und die hohe Frequenzstabilität für viele Anwendungen in der

Atomphysik und Quantenoptik an.

Kapitel 6 beschreibt Ergebnisse der Seitenbandkühlung, für deren

Umsetzung Indium ein einzigartiges Modellsystem darstellt. Anhand

einer spektroskopischen Temperaturbestimmung in optisch-optischer

Doppelresonanz wird die praktisch erreichte Grundzustandskühlung

bestätigt. Es ergibt sich eine Temperatur unterhalb von

300 muK, entsprechend einer Amplitude der Säkularbewegung von

unter lambda/10. Durch die zusätzliche Kontrolle der

Mikrobewegung unter lambda/20 sind insgesamt relative

Frequenzverschiebungen des Referenzübergangs aufgrund einer

Bewegung des Ions im Bereich von 10^(-18) zu erwarten. Die

Mikrobewegung besitzt einen starken Einfluss auf die Kühldynamik,

der in einem erweiterten Modell der Seitenbandkühlung

semiklassisch beschrieben wird. Es ergibt sich die verblüffende Situation,

dass eine Kühlung auch für Laserfrequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz des

ruhenden Ions möglich ist. Kühlrate und Einfangbereich dieser

Kühlung werden simuliert. Die präzise Kontrolle der zusätzlichen

Mikrobewegung erlaubt eine Prüfung der Vorhersagen im Experiment.

Durch Spektroskopie am Kühlübergang konnte eine effektive Kühlung bei positiver

Laserverstimmung experimentell demonstriert werden.

In dieser Arbeit betrachten wir spezielle Quantenräume, die für die

Physik eine besondere Bedeutung haben könnten. Zu diesen zählen der

q-deformierte Euklidische Raum mit drei bzw. vier Dimensionen sowie der

q-deformierte Minkowski Raum. Für jeden dieser Räume konstruieren

wir die zur Formulierung physikalischer Theorien wichtigen Elemente einer

q-Analysis, die als eine mehrdimensionale Verallgemeinerung des bekannten

q-Kalküls für q-Funktionen angesehen werden kann. Diese Elemente

ermöglichen in ihrer Gesamtheit ein modulares Konzept, das die Basis zur

Reformulierung bekannter physikalischer Theorien bilden kann und

gleichzeitig deren numerische Auswertung erlaubt. Zu diesem Zweck werden die

nichtkommutativen Quantenräume durch Vereinbarung einer Normalordnung

mit kommutativen Räumen identifiziert. Für diese kommutativen

Räumen berechnen wir das Sternprodukt zweier kommutativer Funktionen,

die Operatordarstellungen für die partiellen Anleitungen des kovarianten

Differentialkalküls und ebenso jene für die Generatoren der

zugehörigen Quantenalgebren. Des Weiteren führen wir einen

Integralbegriff ein, der als Umkehrung der Differentiation aufgefasst werden

kann und daher die Formulierung translations- und rotationsinvarianter

Integrale gestattet. Um Koordinatenfunktionen, die zu verschiedenen

Quantenräume gehören, miteinander multiplizieren bzw. Tensorprodukte

von Quantenräumen bilden zu können, berechnen wir ausserdem

explizite Ausdrücke für das Zopfprodukt. Schliesslich betrachten

wir die untersuchten Quantenräume in Anlehnung an S. Majid als verzopfte

Hopf-Algebren und bestimmen explizite Ausdrücke für das Coprodukt

und die Antipode allgemeiner Koordinatenfunktionen. Auf diese Weise gelangen

wir zu einem mit der Quantengruppensymmetrie verträglichen

Translationsbegriff, der ausserdem zu mehrdimensionalen Versionen der

q-Taylor-Regeln führt. Als Letztes berechnen wir Verallgemeinerungen von

q-Exponentialen, die in einem erweiterten Sinne Eigenfunktionen der

Ableitungsoperatoren darstellen und somit als q-deformierte Versionen ebener

Wellen aufgefasst werden können.

Feldtheorien auf nichtkommutativen (NC) Raeumen werden untersucht als realistische Erweiterungen des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Vor allem werden zwei Modelle mit nicht vertauschenden operatorwertigen

Koordinaten betrachtet: Kanonisch NC Raeume und der

kappa-deformierte Raum. Diese NC Raeume werden auf gewoehnlichen

Funktionen durch Sternprodukte dargestellt.

Die deformierte Multiplikation erzwingt, dass in einer

Eichtheorie auf einem NC Raum das Eichpotential nicht Werte in einer Lie Algebra annimmt, sondern in deren Einhuellenden Algebra. Diese NC

Eichtheorie kann jedoch so formuliert werden, dass die

Freiheitsgrade mit denen der kommutativen Eichtheorie

uebereinstimmen. Somit kann die Eichtheorie auf der Basis jeder

Lie Algebra definiert werden, sie wird rein algebraisch aus einem Konsistenzprinzip konstruiert und hier aufgefaechert in der Einhuellenden Algebra zur zweiten Ordnung in theta berechnet. Der Zusammenhang mit der

Seiberg-Witten-Abbildung der Stringtheorie wird ausfuehrlich

diskutiert, ebenso Auswirkungen der Freiheiten dieser Konstruktion fuer physikalische Theorien. Dieser Ansatz der Auffaecherung in theta versteht sich als effektive Theorie. Daher wird die

Quantenfeldtheorie des Standardmodells zwar nicht

im Ultravioletten abgeschirmt, das in der NC Feldtheorie

notorische UV-IR Problem wird aber a priori umgangen.

Der kappa-deformierte Raum ist ein NC Raum mit einer deformierten

Symmetriestruktur. Diese Symmetrie wird durch eine Hopfalgebra

beschrieben und deren Eigenschaften werden hier aus der Konsistenz mit

den NC Vertauschungsbeziehungen hergeleitet. Ableitungs-operatoren werden ausschoepfend diskutiert, ebenso algebraische Vektorfelder und zwei verschiedene Definitionen von Differentialformen. Neu ist die Einf"uhrung eines NC Differentialkalkuels mit genau n Einsformen in

n Dimensionen. Alle abstrakt definierten Groessen werden auf

gewoehnlichen Funktionen durch ableitungswertige Operatoren

dargestellt. Es werden Fortschritte erzielt bei der

Definition eines eichinvarianten Integrals ueber dem kappa-deformierten Raum, das zugleich invariant unter der deformierten Symmetrie ist.

Abschliessend wird die Eichtheorie fuer den kappa-deformierten Raum

konstruiert, aufgefaechert im Deformationsparameter bis zur

zweiten Ordnung. Lagrangefunktionen und Wirkungen werden berechnet. Eichfelder

sind fuer Raeume mit deformierter Symmetrie ableitungswertig und koppeln nicht-trivial mit anderen Feldern. Diese Modelle sagen

keine neuen Teilchen vorher, sondern Wechselwirkungs-Vertices und fuer den kappa-deformierten Fall auch neue Propagatoren. Die explizite Berechnung dieser Theoriefuer das Standardmodell kann zu messbaren Korrekturen fuehren,

z.B. zu im Standardmodell verbotenen Zerfaellen.

Die biologisch funktionale Struktur und Dynamik globulärer Proteine entfaltet sich in ihrer nativen Umgebung, die aus ionenhaltigem Wasser besteht. Die entscheidenden Wechselwirkungen sind dabei elektrostatischer Natur. Bei Molekulardynamik-(MD-)Simulationen von Protein-Lösungsmittel-Systemen müssen diese Wechselwirkungen daher genau erfasst und, wegen der Größe der behandelten Systeme, numerisch effizient berechnet werden. Es bietet sich dazu an, das üblicherweise betrachtete mikroskopische Ensemble der Lösungsmittelatome durch ein Lösungsmittelkontinuum zu ersetzen, welches die auf das Protein ausgeübten Reaktionsfeldkräfte erzeugt.

Die Entwicklung einer atombasierten Kontinuumsmethode, mit der sich Reaktionsfeldkräfte und -energien bei solchen MD-Simulationen effizient und genau berechnen lassen, war das Hauptziel der vorliegenden Arbeit. Die Methode wird zunächst für Proteine in rein dielektrischen Lösungsmittelkontinua hergeleitet [B. Egwolf und P. Tavan, J. Chem. Phys. 118, 2039-2056 (2003)] und anschließend um Ionenkontinua erweitert [B. Egwolf und P. Tavan, J. Chem. Phys. 120, 2056-2068 (2004)], welche der linearisierten Poisson-Boltzmann-Gleichung gehorchen. Die zugrundeliegende Theorie wird so weit wie möglich in exakter Form vorangetrieben. Sie führt in natürlicher Weise zu einigen wenigen Näherungen, so dass sich das vom Lösungsmittelkontinuum ausgehende Reaktionsfeld in effizienter Weise mittels selbstkonsistent zu bestimmender Ladungen und Dipole darstellen lässt, die an den mikroskopisch beschriebenen Proteinatomen lokalisiert sind. Die Qualität der atombasierten Kontinuumsmethode wird anhand von Vergleichen mit dem auf sphärische Geometrien beschränkten, analytischen Kirkwood-Reaktionsfeld, einer mikroskopischen Protein-Wasser-Simulation und einer Finite-Differenzen-Methode untersucht.

Darüber hinaus wird ein Verfahren für MD-Simulationen von mikroskopisch beschriebenen Protein-Lösungsmittel-Systemen mit periodischen Randbedingungen vorgestellt [G. Mathias, B. Egwolf, M. Nonella und P. Tavan, J. Chem. Phys. 118, 10847-10860 (2003)]. Dabei werden die Coulomb-Wechselwirkungen zwischen den Atomen mit Hilfe der effizienten, linear skalierenden und strukturadaptierten Multipolmethode (SAMM) bis zu einem Grenzabstand explizit berechnet und für größere Abstände durch das Kirkwood-Reaktionsfeld modelliert. Durch dieses Vorgehen können die von den Randbedingungen erzeugten Periodizitätsartefakte weitgehend unterdrückt werden. Ferner kann das Kirkwood-Reaktionsfeld im Rahmen des SAMM-Ansatzes unter vernachlässigbarem Aufwand berechnet werden.