Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 02/05

The study of the formation and growth of cosmic structures is one of the most fascinating and challenging fields of astrophysics. In the currently favoured cosmological model, the so-called LCDM cosmogony, dark matter structures grow hierarchically, with small clumps forming first at very early epochs. The merging of these dark matter halos in the following evolution leads to the formation of more massive objects with time, ultimately resulting in a complex cosmic web composed of filaments of dark matter and galaxies, rich galaxy clusters, and voids in between. While we have some knowledge how these dark matter structures evolve with cosmic time, the relationship between the "dark" and the "luminous" content of the Universe is still far from being fully understood and it poses many puzzling questions, both for observational and theoretical investigations. Galaxy clusters, the largest virialized objects in the Universe, are especially interesting for cosmological studies because they are ideal laboratories to study the physical processes relevant in structure formation, like those that shape the properties of galaxies, the intergalactic and intracluster media, and the active galactic nuclei (AGN) that originate from super-massive black holes (BHs) in cluster centres. The study of clusters is remarkably promising right now, both because of the wealth of new data from X-ray telescopes such as XMM-Newton and Chandra or from optical surveys such as SDSS, and also due to the increasing power of cosmological simulations as a theoretical tool. The latter can track the growth of cosmological structures far into the highly non-linear regime, and have recently become faithful enough to include for the first time physical processes such as AGN activity and its effect on galaxy evolution. Therefore the aim of this Thesis was to incorporate AGN heating process in fully self-consistent cosmological simulations of structure formation, and to constrain the relevance of this feedback mechanism for galaxy and galaxy cluster formation and evolution.

The structure of mammalian cell membranes is highly heterogeneous and consists of numerous lipid and protein molecules, which are organized into the cellular lipid bilayer. Understanding membrane processes such as lipid-protein interactions requires an insight into the molecular structure of the cell membrane. Such ångstrøm resolution is offered by X-ray diffraction techniques, which are sensitive to the electron density distribution within macromolecules. Model lipid membranes mimic the composition of natural cell membranes and are used for facilitating experimental investigations. A special class of biomimetic lipid membranes are substrate supported lipid bilayers, which can be studied by surface sensitive methods such as X-ray reflectivity. Using highly brilliant X-rays at modern synchrotron sources allows to obtain detailed structural information on lipid bilayers at solid-liquid interfaces.

For this thesis, a novel microfluidic setup for high resolution X-ray reflectivity studies of single biomimetic lipid membranes at solid-liquid interfaces was developed. The setup is also designed for quantitative fluorescence microscopy, which allows us to complement our structural studies with investigations on lipid dynamics within the lipid bilayer. Our approach unifies two experimental characterization techniques on a single sample and offers an integrated view on the biophysical properties of biomimetic lipid membranes, such as molecular structure, lipid fluidity and phase state of the lipid bilayer.

We have characterized lipid bilayers on different solid supports to assess the suitability of these membrane/interface systems for biological and biotechnological applications. The surface chemistry of an underlying substrate may considerably influence the structural and dynamical properties of a lipid membrane. The material properties of the thermoplastic polymer 2-norbornene ethylene (Topas), such as optical transparency, high chemical resistivity and ease for lateral structuring, make this compound an interesting candidate as a substrate for lipid membranes. Model lipid bilayers on Topas showed a high homogeneity, though a reduced lipid fluidity (~50%) as compared to lipid bilayers supported on hydrophilic silicon oxide. We also observed on Topas a reduced bilayer thickness of about 20%, which we ascribe to a bilayer conformation with either coiled or interdigitated acyl chains. Another template for biosensoric applications are polyelectrolyte multilayers, which can act as a dielectric between lipid bilayers and semiconductor substrates, such as silicon-on-insulator devices (SOI). We studied homogeneous lipid bilayers on alternating polyanion/polycation layers and characterized the corrugation of the bilayer depending on the number of underlying polyelectrolyte layers.

Further, we studied how protein and receptor molecules bound to lipid membranes influence their structure and lipid fluidity. The binding of the protein streptavidin to biotin molecules has a strong noncovalent affinity and is widely used in biotechnological research. We characterized the formation of a streptavidin/avidin layer bound to a supported lipid bilayer containing biotinylated lipids. We resolved a well-defined water layer of 8Å separating the protein and lipid bilayer and showed that the bilayer structure was not affected by the presence of the protein. The lipid fluidity was quantified using continuous bleaching before and after protein binding and we observed a small reduction of 10-15% of the lipid diffusion constant after protein binding. We propose that the separating water layer allows the lipid bilayer to retain its lateral fluidity and structural integrity.

Finally, we studied biomimetic membranes with complex mixtures that approximate the lipid composition in mammalian cell membranes. Such lipid membranes with multiple components including cholesterol are capable of phase separation into condensed and non-condensed lipid phases. Condensed lipid d

The ATLAS detector, currently in its final installation phase at CERN, is designed to provide precise measurements of 14 TeV proton-proton collisions at the Large Hadron Collider. The measurements of the cross section and transverse momentum spectrum of the Z boson production at LHC provides first tests of the standard model in a new energy domain and may reveal exotic physics processes. Moreover, the properties of the Z boson resonance and its decay into two muons are known to very high precision from LEP experiments and hence can be used as a physics process for calibration and alignment. The Z boson production is also a common background process for many other physics analyses and must therefore be well understood. This thesis describes a measurement strategy of the cross section s for the process pp->Z->(mu)(mu) at the ATLAS experiment during its startup phase. As a result of this study a precision of

d(sigma)/ (sigma) = 0.006(stat) + 0.008(sys) + 0.01 (pdf)

is expected for an integrated luminosity of 50 pb^(-1), assuming a fully operational ATLAS detector, not including uncertainties in the luminosity measurements. A major goal of the approach presented was to minimize the dependence on Monte Carlo simulations. Hence, several methods for the determination of the detector response based on data have been

studied. In addition, a strategy for the differential cross section measurement of the transverse momentum of the Z boson has been developed. In contrast to a measurement of the total cross section, it is expected that the statistical uncertainty dominates for the given integrated luminosity of 50 pb^(-1). The predicted high pT resolution of the ATLAS Inner Detector and the Muon Spectrometer allow for the first observation of interesting parton distribution effects, i.e. the so-called x-broadening, even with the limited statistics expected during the first data taking period.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Stabilisierung der Modulifelder bei den Kompaktifizierungen der Typ IIB String Theorie auf Orientifolds. Ein konkretes Verfahren für die Konstruktion von Lösungen, bei denen alle Modulifelder fixiert sind, bietet das KKLT-Szenario. Wir untersuchen, auf welche Modelle das Szenario sich anwenden lässt, wenn man auf Näherungen der originalen KKLT-Arbeit verzichtet. Wir finden, dass bei einer Reihe von Modellen, nämlich solchen ohne Komplexe-Struktur-Moduli, die Konstruktion der konsistenten Lösungen im Rahmen des KKLT-Szenarios nicht möglich ist.

Die nichtperturbativen Effekte, wie D3-Instantonen und Gauginokondensate, sind ein weiterer Bestandteil des KKLT-Szenarios. Sie führen zur Stabilisierung der Kählermoduli. Wir geben Kriterien an für das Erzeugen des Superpotentials infolge der D3-Instantonen bei einer Calabi-Yau-Mannigfaltigkeit in Anwesenheit der Flüsse. Weiterhin zeigen wir, dass obwohl die Anwesenheit des nichtperturbativen Superpotentials in den Bewegungsgleichungen mit dem Einschalten aller ISD- und IASD-Flüsse korreliert, das Entscheidungkriterium für das Erzeugen des nichtperturbativen Superpotentials nur von den Flüssen vom Typ (2,1) abhängt. Anschließend diskutieren wir zwei Modelle, bei denen wir alle Modulifelder stabilisieren. Dabei handelt es sich um Calabi-Yau-Orientifolds, die man durch eine Blow-Up-Prozedur aus den Z_6 und Z_2 x Z_4 Orientifolds erhalten hat.

Eine zuverlässige, effiziente und kostengünstige Einzelphotonenquelle ist eine wichtige Komponente in vielen Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkommunikation. Einzelphotonenquellen wurden schon in Experimente der Quantenkryptographie eingesetzt und haben Vorteile gegenüber abgeschwächten Laserpulsen gezeigt. Eine Einzelphotonenquelle ist auch eine der notwendigen Voraussetzungen für einen optischen Quantencomputer nach Vorschlag von Knill, Laflamme und Milburn. Darüber hinaus sind einzelne Photonen der ideale Kandidat um das Grundprinzip der Quantenmechanik zu demonstrieren. Deshalb ist eine Einzelphotonenquelle auch wünschenswert für bildungszweck. Das in dieser Arbeit untersuchte Konzept für eine Einzelphotonenquelle basiert auf den Farbzentren im Diamant. Farbzentren sind eine attraktive Wahl für die praktischen Anwendungen wegen des relativ geringen experimentellen Aufwands.

In dieser Arbeit wurde das SiV (silicon vacancy) Zentrum ausführlich untersucht, weil es mehrere vorteilhafte Eigenschaften hat, z.B. das schmales Spektrum und die kurze Lumineszenzlebensdauer. Die SiV-Zentren wurden durch Silizium-Ionenimplantation im IIa-Diamant erzeugt. Einzelne SiV-Zentren wurden durch ein konfokales Mikroskop optisch adressiert. Die Emission einzelner Photonen wurde durch die Messung der Intensitätskorrelationsfunktion nachgewiesen. Allerdings zeigt ein einzelnes SiV-Zentrum eine weiter niedrigere Photonenemissionsrate als erwartet. Es liegt auf einer Seite an einer schlechten Quantenausbeute wegen nicht-strahlender Übergänge. Andererseits existiert ein zusätzliches metastabiles Niveau im Energieschema des SiV-Zentrums. Das metastabile Niveau wurde als der positive Ladungszustand identifiziert. Durch Manipulation des Fermi-Niveaus im Diamant mit Stickstoff-Ionenimplantation kann die Population des positiven Ladungszustands eliminiert werden. Außer dem SiV-Zentrum wurden mehrere unbekannte einzelne Farbzentren gefunden und charakterisiert.

Eine andere wichtige Angelegenheit ist das effiziente Aufsammeln der Fluoreszenz einzelner Quantenemitter. In dieser Arbeit wurden zwei Methoden untersucht. Mit einer direkt auf Probe gesetzten Diamant Halbkugellinse wurde eine Erhöhung von der Aufsammeleffizienz um einen Faktor 5 erreicht. Wenn die Größe der Kristalle deutlich kleiner als die Wellenlänge der Fluoreszenz, tritt keine Brechung auf dem Übergang zwischen Diamant und Luft auf. Deswegen wurden einzelne SiV-Zentren in Diamantnanokristallen auch untersucht. Dabei wurde stärkere Fluoreszenzintensität observiert.

In the present thesis I discuss the hard spectator interaction

amplitude in B to pi pi at NLO i.e. at O(\alpha_s^2).

This special part of

the amplitude, whose LO starts at O(alpha_s), is defined in

the framework of QCD factorization. QCD factorization allows to separate the

short- and the long-distance physics in leading power in an expansion

in Lambda/m_b, where the short-distance physics can be

calculated in a perturbative expansion in alpha_s. Compared to

other parts of the amplitude hard

spectator interactions are formally enhanced by the hard collinear

scale sqrt{Lambda m_b}, which occurs next to the m_b-scale and

leads to an enhancement of alpha_s.

From a technical point of view the main challenges of this calculation

are due to the fact that we have to deal with Feynman

integrals that come with up to five external legs and with three

independent ratios of scales. These Feynman integrals have to be

expanded in powers of Lambda/m_b.

I will discuss integration by parts identities to reduce the

number of master integrals and differential equations techniques to

get their power expansions. A concrete implementation of integration by

parts identities in a computer algebra system is given in the

appendix.

Finally I discuss numerical issues like scale dependence of the

amplitudes and branching ratios. It will turn out that the NLO

contributions of the hard spectator interactions are important but

small enough for perturbation theory to be valid.

Der Einfluss von Trögen der oberen Troposphäre auf konvektive Instabilität wurde mit Hilfe von Analysen, die auf Gitterdaten des Datenarchivs des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) basieren, untersucht. Als Maß der Instabilität wurde die sogenante "Convective Available Potential Energy" (CAPE) verwendet. Eine Fallstudie des Burdekin Thunderstorm in Australien (Janur 2001) zeigte, dass die hohe CAPE vor der Entwicklung des Gewitters von kalter Luft, die mit

Trögen in Zusammenhang steht, beeinflusst wurde. Im Gegensatz dazu war in den

Fällen der Australischen Tropischen Zyklone Theodore (Februar 1994) und Rewa (Janur 1994) der Einfluss der Tröge auf die CAPE minimal, wobei die Abkühlung schwächer als in dem Fall des Gewitters war.

Die Intensivierung tropischer Wirbelstürme wurde mit Hilfe von numerischen Modellrechnungen, die von der Fallstudie

motiviert wurden, weiter erforscht. Ergebnisse aus einer Kontroll-Modellrechnung zeigen, dass die Intensivierung ein

eigentlich nicht axialsymmetrischer Prozess ist. Kumuluskonvektion bildet sich vornehmlich in der Nähe des Radius der maximalen Windgeschwindigkeit des initialen Wirbels. Diese konvektive Zellen weisen erhöhte Rotation auf und werden daher Meso-Wirbel genannt. Die Entstehung der Meso-Wirbel ist abhängig von der CAPE, die mit Grenzschichtfeuchte verbunden ist, die wegen des Feuchteaustausches zwischen Luft und Meer bei hoher Windgeschwindigkeit zunimmt. Dennoch ist die weitere Intensivierung des Wirbelsturms als Ganzes unabhängig von der CAPE. Der wichtigste Prozess hierbei ist die Verschmelzung der Wirbel, wodurch sich der Wirbelsturm rasch verstärkt. In der Folge wurden Ensembleberechnungen mit zufälligen Störungen der Anfangsfeuchte in der unteren Troposphäre durchgeführt, um die Sensitivität der asymmetrischen Intensivierung bezüglich der Feuchte zu erforschen. Es war zu beobachten, dass die Entstehung und Verschmelzung der Meso-Wirbel von zufälligen Störungen beeinflusst wurde, wogegen sich die Intensität des vollentwickelten Wirbelsturms im Bereich der Schwankungsbreite der Kontroll-Modellrechnung bewegte.

Die Effekte einer Reduzierung der Feuchte in der mittleren Troposphäre, einer verstärkten Strahlungsabkühlung und einer oberen antizyklonalen Scherströmung, wurden ebenfalls untersucht. Es wurde belegt, dass die Entwicklung von Wirbelstörmen empfindlich von diesen drei Faktoren abhängt. Die Verschmelzung der Meso-Wirbel ist wegen der Reduzierung des Auftriebs in der Kumuluskonvektion verzögert. Ensembleberechnungen zeigen auch, dass die

Vorhersagbarkeit während der Periode der Intensivierung von Wirbelstürmen gering ist. Erhebliche Schwankungen der Intensität des Wirbelsturms in den Rechnungen der einzelnen Mitglieder des Ensembles zu einem festgelegten Zeitpunkt deuten auf die Grenzen der Vorhersagbarkeit einzelner Modellrechnungen hin.

This thesis is a cumulative dissertation that consists of three papers.

The first paper addresses the issue of screening of a charged dust particle suspended in the plasma-wall transition layer of a plasma discharge. This problem is one of the fundamental issues in the physics of complex (dusty) plasmas, because the screening of charged dust particles determines the interaction forces between them and thus governs their dynamics. The kinetic model proposed in this paper considers a point charge embedded in a weakly-ionized plasma with ion drift. The latter is considered to be due to an external electric field and assumed to be mobility-limited. Here, "mobility-limited" means that the acceleration of ions in the external field is balanced by collisions of ions with neutrals and that this balance determines the drift velocity. The embedded point charge (i.e., a charged dust particle) perturbs the ion drift, and the resulting potential distribution around the dust particle is calculated. The results are proven to be in agreement with existing measurements performed in the plasma-wall transition layer of a rf plasma discharge. One of the important applications of this work is related to the possibility of tuning the pair interaction potential between dust particles by applying an external oscillating electric field. In particular, such a tuning allows studying electrorheological properties of strongly coupled systems on all relevant time scales. First experiments of this kind have already been performed onboard the International Space Station.

The second paper deals with the dust-lattice waves - oscillations of charged dust particles forming a crystalline structure in a plasma. The role of anisotropic screening of dust particles and variations of their charges is investigated. It is well known that the mentioned effects lead to non-Hamiltonian dynamics of dust particles and, as a result, can trigger an instability of the dust-lattice waves. This instability has been already observed in experiments. The new result is that the mutual influence of particles on their charges, not considered in the analysis of the dust-lattice waves before, is shown to be capable of making a significant contribution to this instability.

The third paper examines whether a similar instability can be observed in a cluster formed by two or three charged dust particles. It is found that an instability due to the non-Hamiltonian dynamics is only possible when the interparticle separation in the cluster is such that certain cluster eigenfrequencies are sufficiently close to each other.

The present work is addressed to defects and boundaries in quantum field theory considering the application to AdS/CFT correspondence.

We examine interactions of fermions with spins localised on these boundaries. Therefore, an algebra method is emphasised adding reflection and transmission terms to the canonical quantisation prescription. This method has already been applied to bosons in two space-time dimensions before.

We show the possibilities of such reflection-transmission algebras in two, three, and four dimensions. We compare with models of solid state physics as well as with the conformal field theory approach to the Kondo effect.

Experimente mit hohen Struktur- und Zeitauflösungen sind Voraussetzungen, um ein detailliertes Verständnis grundlegender Prozesse auf molekularer Ebene zu erlangen. Zeitauflösungen im Bereich von Femtosekunden kann die Anreg-Abtast-Laserspektroskopie erreichen. Mit Abtastimpulsen im infraroten Spektralbereich lassen sich zudem die nötigen strukturellen Informationen gewinnen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein transientes Femtosekunden-Infrarotspektrometer für verschiedene Anwendungen auf dem Gebiet der Molekülphysik weiterentwickelt. Dieses betraf zum Einen eine Erzeugung für abstimmbare Ultraviolett-Anregungsimpulse, zum Anderen eine mehrstufige, optisch parametrische Frequenzkonversion zur Generierung spektral schmalbandiger, abstimmbarer Pumpimpulse im Mittelinfraroten.

An Propionsäure-Dimeren, einem Modellsystem für die biologisch relevanten Wasserstoffbrückenbindungen, wurden Infrarot-Anreg-Infrarot-Abtast-Experimente durchgeführt. Die Anregung erfolgte dabei im Bereich der OH-Streckschwingungen, während die CO-Streck- und CH-/OH-Biegeschwingungen abgetastet wurden. Es konnte gezeigt werden, dass diese Schwingungen stark aneinander koppeln. Die genaue Wellenlänge der Infrarot-Pumpimpulse hat Einfluss auf die Relaxation der Schwingungsenergie. Intramolekulare Energieumverteilung findet mit Zeitkonstanten von 0,5 ps und 1,5 ps statt; eine weitere intramolekulare Relaxation, vornehmlich aus mitangeregten CH-Streckschwingungen, sowie das Kühlen zum Lösungsmittel, geschehen mit Zeiten von 12 ps. Darüber hinaus wurde das transiente Brechen nur einer der beiden Wasserstoffbrückenbindungen der Propionsäure-Dimere nach der Infrarot-Anregung beobachtet.

Neben umfangreichen Experimenten mittels Ultraviolett-/Sichtbar-Anreg-Infrarot-Abtastspektroskopie wurde an photochromen Fulgiden und Fulgimiden eine Zuordnung von Schwingungsbanden mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen durchgeführt. Lichtinduzierte, ultraschnelle und reversibel schaltbare Ringschluss- sowie Ringöffnungsreaktionen zwischen den thermisch stabilen Konformeren wurden untersucht. Mit dem Zerfall eines elektronisch angeregten Zustands, dessen Lebensdauer auf der Zeitskala weniger Pikosekunden anzusiedeln ist, wird das entsprechende Photoprodukt gebildet. Alle Photoreaktionen sind nach 50 ps abgeschlossen. Durch spektral sehr breitbandiges Abtasten konnten auch Infrarotspektren des elektronisch angeregten Zustandes gewonnen und dessen Absorptionsbanden teilweise auch Normalschwingungen zugeordnet werden.

Die potentielle Eignung von Fulgiden als ultraschneller, optischer Speicher wurde in einem Schreib-Lösch-Zyklus demonstriert. Mit einem ersten Ultraviolett-Impuls wurde die Ringschluss-, mit einem weiteren Impuls im Sichtbaren nach nur 4 ps die Ringöffnungsreaktion induziert, entsprechend einer möglichen Schalttaktrate von 250 GHz. Die Absorptionsunterschiede aufgrund der Konformationsänderungen konnten im Infraroten ausgelesen werden, ohne die jeweilige Konformation der Moleküle zu verändern.