Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 03/05

In the framework of the current cosmological paradigm, cosmic evolution is mostly driven by gravity through the hierarchical growth of cold dark matter structures.

However, the evolution of the directly observed luminous component involves complex non-gravitational processes such as cooling, star formation and feedback mechanisms

involving the conventional matter well known to us, termed shortly as baryons.

Clusters of galaxies are the largest virialized systems in the Universe, hence are ideal laboratories to study the evolution of baryons. The baryon content of clusters accounts for roughly 15% of their total mass, encompassing a “cold phase” in the form of luminous galaxy masses, and a “hot phase” corresponding to the X-ray emitting intracluster

medium (ICM). The thermodynamics of baryons is affected by non-trivial phenomena and the interplay of the intricate processes between these two phases remains, to a large extent, unclear.

In this thesis I investigate the properties of both the ICM and the underlying galaxy populations in X-ray selected distant clusters, with the aim of constraining physical processes governing the evolution of clusters and their galaxies.

The inner regions of local clusters often exhibit radiative cooling, termed cool cores (CC). I have made an important step in investigating the abundance of cool cores in

the distant cluster population, by devising efficient methods to characterize local CCs, that were applied to the highest redshift cluster sample currently available (0.7 <

z < 1.4) from the Chandra archive. The fraction of CCs seems to decrease with redshift, since I find that the majority of the distant clusters are in an intermediate

state of cooling.

High-z (z∼ >1) clusters are hard to find. The XMM-Newton Distant Cluster Project (XDCP) is a survey aimed to construct a complete sample of z∼1 clusters from the

XMM-Newton archive. Within this scope a large effort has been done to confirm potential distant cluster candidates by exploring a new optical & near-infrared imaging

technique to identify overdensities of galaxies. Twenty-two cluster candidates were imaged during two runs at the ESO/La Silla Observatory, of which around half are potential distant clusters, based on their I-H images. The applied photometric technique has thus proven to be reliable in identifying z≥0.8 overdensities of galaxies.

The formation and evolution of massive early-type galaxies (ETGs) is still an open question, since the observational data cannot be easily reconciled with the preferred, hierarchical galaxy formation scenario. Using high resolution Hubble Space Telescope/ACS imaging and VLT/FORS2 spectra, I studied the galaxy population of XMM1229 at z=0.975, discovered in the XDCP. The results show a red-sequence populated by galaxies with stellar masses in the range 5e10 - 2e11 solar masses and old (3-4 Gyr) underlying stellar population formed at zf ∼ 4. The color-magnitude relation at this high redshift is found to be already very tight (with a 0.04 spread similar to the local Coma cluster). This confirms that ETGs in clusters assembled

early on and in short timescales, and their star formation processes have already completed the essential part of their chemical enrichment, as elucidated by the high

metal abundance (Z ∼ 0.3 solar) of the ICM, measured with XMM spectra.

Der in den letzten Jahrzehnten zu beobachtende globale Temperaturanstieg wurde teilweise durch anthropogene Emissionen verursacht. Der Flugverkehr trägt durch den Eintrag von direkt oder indirekt strahlungswirksamen Gasen und der Änderung der hohen Bewölkung ebenfalls zum Klimawandel bei. Die größte Unsicherheit besteht momentan bei der Bewertung des Strahlungsantriebs durch gealterte Kondensstreifen, die auch als flugzeuginduzierte Zirren klassifiziert werden.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Übergang von Kondensstreifen in Zirren mittels numerischer Methoden untersucht und die Entwicklung der geometrischen, mikrophysikalischen und optischen Eigenschaften beleuchtet.

Dazu wurde die Entwicklung der Kondensstreifen während der Wirbelphase und der Dispersionsphase separat betrachtet.

Unter Verwendung eines vorhandenen LES-Modells mit Eismikrophysik wurde ein 2D-Modell zur Kondensstreifenmodellierung entworfen, das aufgrund seiner Konzipierung eine Vielzahl von Simulationen zuläßt. Somit kann der Einfluß von vielen Parametern wie z.B. der relativen Feuchte, Temperatur, Windscherung oder des Strahlungsszenarios systematisch untersucht werden.

Insbesondere wurde ein Modul entwickelt, das im 2D-Modell einen realistischen Wirbelzerfall während der Wirbelphase sicherstellt. Während des Wirbelabsinkens tritt im primären Nachlauf Eiskristallverlust auf und abhängig von der Feuchte (Eisübersättigung) und Temperatur der Umgebungsluft verdampft ein Großteil der Eiskristalle. Bei bestimmten Feuchte- und Temperaturkombinationen hängt die Anzahl überlebender Eiskristalle sensitiv von der Schichtung der Atmosphäre und der Hintergrundturbulenz ab, da diese Größen den Wirbelzerfall beeinflußen. Im Maximalfall überleben 70% der Eiskristalle die Wirbelphase. Bei geringen Übersättigungen und hohen Temperaturen verdampfen alle Eiskristalle im primären Nachlauf und der Kondensstreifen besteht dann nur aus dem sekundärem Nachlauf.

Während der Dispersionsphase verbreitern sich Kondensstreifen durch Scherung und in geringerem Maße durch turbulente Diffusion und es findet der Übergang in flugzeuginduzierte Zirren statt.

Eine substanzielle Verbreiterung der Kondensstreifen ist nur bei Umgebungsfeuchten größer 120% sichtbar.

Die Klimawirksamkeit der Kondensstreifen hängt hauptsächlich von der relativen Feuchte und in kleinerem Maße von der Temperatur und der Scherung ab.

In den Standarduntersuchungen sind im Modell die Hintergrundbedingungen statisch angenommen und es tritt kein großräumiges Aufgleiten oder Absinken der Luftmassen auf. In diesem Fall ist die Lebenszeit der Kondensstreifen aufgrund der Sedimentation begrenzt und beträgt zwischen 4-6 Stunden.

Der Strahlungseinfluß führt bei geeigneten Umgebungsbedingungen zu einem Aufgleiten der Kondensstreifen, wodurch deren Auflösung aufgrund des zusätzlichen Wasserdampfangebotes verlangsamt wird.

Sofern die Kondensstreifen nicht durch synoptischskaliges Aufgleiten der gesamten Luftschicht gestärkt werden, nimmt die optische Dicke der Kondensstreifen mit der Zeit ab, weil die Eiskristallkonzentrationen sowie Eiswassergehalte verdünnt werden und das Höhenwachstum des Kondensstreifens gering ist.

Gauge-boson pair-production processes with an additional hadronic jet are of particular interest as background to Higgs and new-physics searches at hadron colliders. Moreover, they enable---besides genuine gauge-boson pair production---a direct analysis of the non-Abelian gauge-boson self-interactions in the electroweak sector. In this work we provide precision calculations for the processes pp->VV+jet+X.

In detail, corrections to WW+jet, ZZ+jet, and WZ+jet production are evaluated at next-to-leading-order in the strong coupling (NLO QCD). Particular care has to be taken when treating the infrared singularities arising in the virtual and real corrections. The FormCalc/LoopTools package is applied for the virtual corrections, where dimensionally regularized infrared-divergent integrals are added to the FF library which is used for the regular ones. The real-emission matrix elements are evaluated in terms of helicity amplitudes in the Weyl--van-der-Waerden formalism. The Catani--Seymour dipole subtraction formalism mediates the cancellation of infrared divergences between the two contributions.

To perform the numerical integration a multi-channel Monte Carlo integrator is written in C++, which is designed to meet the requirements of integrating cross sections in the dipole subtraction formalism.

For all gauge-boson assignments, the NLO QCD corrections significantly stabilize the artificial dependence of the leading-order (LO) cross sections on renormalization and factorization scales for Tevatron. For LHC, however, only a modest reduction of the scale dependence results unless a veto on a second hard jet is applied.

Beyond investigating the production processes, leptonic decays of the gauge bosons are considered. To this end, a full amplitude calculation including resonant and non-resonant contributions to the leptonic final states, a simple narrow-width approximation (NWA), and an improved version of the NWA that takes into account spin correlations are performed at LO. Comparing these approaches the improved NWA turns out to deliver an appropriate approximation to the decays at a reasonable level of accuracy. Thus, an NLO QCD calculation to VV+jet including leptonic decays is performed in the framework of the improved NWA. Several results on differential cross sections for quantities of the jet and the decay leptons are presented. For WW+jet, we discuss both proton--proton collisions at LHC and proton--antiproton collisions at Tevatron. For WZ+jet and ZZ+jet, however, the cross sections at Tevatron are too small, so only results for LHC are presented.

The Monte Carlo generator developed in this thesis can be used as a tool in data analysis at LHC and Tevatron.

Verschränkung ist eines der grundlegendsten Merkmale in der Quantenmechanik. Sie beschreibt einen nicht separierbaren Zustand von zwei oder mehr quantenmechanischen Objekten und besitzt z. T. Eigenschaften, welche dem klassischen physikalischen Sinn widersprechen. Während das Konzept der Verschränkung, welches bereits von E. Schrödinger in 1935 eingeführt wurde, allgemein gut verstanden ist, stellen die Erzeugung und Analyse von verschränkten Zuständen noch immer eine erhebliche Herausforderung dar. Insbesondere die Verschränkung von verschiedenartigen Objekten

wie Atomen und Photonen wurde erst vor kurzem erreicht und ist Gegenstand aktiver Forschung.

Diese Arbeit berichtet über Experimente mit Verschränkung zwischen einem einzelnen Rubidium Atom und einem einzelnen Photon. Das Atom wird in einer optischen Falle gehalten, wo es exakt lokalisiert ist und sein interner Zustand mit Laserpulsen manipuliert werden kann. Zur Erzeugung der Verschränkung wird das Atom optisch in ein kurzlebiges

höheres Niveau angeregt, von wo aus es unter Ausstrahlung eines einzelnen Photons zurück in den Grundzustand fällt. Die Polarisation des emittierten Photons ist verschränkt mit dem Spin des Atoms. In dieser Arbeit wurden Methoden entwickelt, die Präparation und Analyse des Atom-Photon Zustandes mit hoher Genauigkeit erlauben. Um den Zustand für weitere Anwendungen verfügbar zu machen, mussten mehrere Probleme gelöst werden. Erstens ist der interne Zustand des Atoms empfindlich gegenüber äußeren Störungen, insbesondere durch magnetische und elektromagnetische Felder. Um den Zustand des Atoms während des Experiments (welcher auf der Skala von Mikrosekunden abläuft) zu erhalten, wurde u. a. ein System zur aktiven Stabilisierung der Magnetfelder entwickelt. Zweitens muss das vom Atom emittierte Photon zu einem anderen Ort übertragen werden, dabei soll sein Zustand erhalten bleiben. Für diesen Zweck wurde eine faseroptische

Strecke von 300 Metern Länge aufgebaut. Wegen der mechanisch bedingten Doppelbrechung in der Faser, ändert sich der Polarisationszustand des Photons während der Übertragung. Deshalb wurde ein System zur aktiven Kompensation der Doppelbrechung entworfen und installiert. Um die Zuverlässigkeit der optischen Verbindung zu bestätigen, wurde das vom Atom emittierte Photon übertragen und Verschränkung nachgewiesen.

Der neue Typ der Verschränkung hat viele Anwendungen, insbesondere im Bereich der Quanten-Informationsverarbeitung. Die Fähigkeit, Superpositionszustände und verschränkte Zustände zu speichern und zu verarbeiten, erlaubt effiziente Lösung von speziellen Problemen, welche auf klassischen Computern nicht innerhalb realistischer Zeit lösbar sind. Darüber hinaus erfordert und ermöglicht die quantenmechanische Natur dieser

Information prinzipiell neue Methoden der Kommunikation (z.B. Quanten-Teleportation und Kryptographie). Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Implementierung des Protokolls zur Quantenteleportation an dem verschränkten

Atom-Photon Paar. Ein Zustand, welcher auf das Photon kodiert wurde, konnte erfolgreich auf den atomaren Spin über eine Entfernung von 5 Metern teleportiert werden.

Mit Hilfe der Methoden und Instrumente, welche während dieser Arbeit entwickelt wurden, wird es möglich, zwei Atome über eine große Entfernung zu verschränken. Dazu ist es geplant, zwei separate Atomfallen simultan zu betreiben, um zwei verschränkte Atom-Photon Paare gleichzeitig zu erzeugen. Die Interferenz der Photonen erlaubt dann einen verschränkten Zustand für die zwei Atome zu erhalten, eine Schlüsselvoraussetzung für einen fundamentalen Test der Quantenmechanik, den so genannten Bell Test.

Das Massenspektrum neu entstandener Sterne (IMF) ist von universeller Gueltigkeit. So jedenfalls scheint es in verschiedenen Sternentstehungsregionen in der Milchstrasse, die alle derselben Verteilung aufweisen. Hierbei ist die relative Haeufigkeit von Sternen mit einer Masse von 1M⊙ oder weniger, welche als massearm bezeichnet werden, besonders hoch. Die IMF ist von grundlegender Bedeutung fuer viele Bereiche der Astronomie. Unter Anderem bildet sie die Grundlage fuer die optische Erforschung ferner Galaxien und die Statistik entstehender chemischer Elemente. Dennoch ist ihre Universalitaet bezueglich fremder Galaxien oder bei hohen Rotverschiebungen bislang nicht eindeutig wissenschaftlich belegt, da eine vollstaendige Theorie der Sternentstehung immer noch aussteht. Sternentstehung basiert auf einem aeusserst komplexen, nichtlinearen Wechelspiel von Eigengravitation, Hydrodynamik und Druck, sowie von Turbulenz, Strahlung, Magnetfeldern und der Chemie von Staub und Gas. Erschwerend kommt hinzu, dass junge Sterne in die Molekuelwolke, aus welcher sie entstehen, eingebettet sind. Daher sind sie nur mittels Molekuelspektren im Radio-Wellenlaengenbereich zu beobachten. Eine vielversprechende Moeglichkeit umden Sternentstehungsprozess letztendlich zu durchschauen ergibt sich mittels Computersimulationen. Abgesehen von den vielen physikalischen Prozessen liegt die numerische Herausforderung in der grossen Aenderung der Laengenskala (um mehr als sieben Groessenordnungen), sowie der Dichte (um mehr als 20 Groessenordnungen) waehrend des Kollapses eines dunklen Wolkenkerns.

Aus diesem Grund wurden im Rahmen dieser Doktorarbeit nur Eigengravitation, Hydrodynamik, und Turbulenz in Betracht gezogen. Eine geeignete Methode zur Berechnung des Kollapses prestellarer Kerne ist die sogenannte Smoothed Particle Hydrodynamics Methode, ein Teilchen-basiertes Schema, welches die hydrodynamischen Gleichungen in ihrer Lagrangeschen Form loest. Die Simulationen sind vollstaendig dreidimensional. Da eine direkte Berechnung des Strahlungstransports derzeit immer noch zu zeitintensiv, jedoch die Beschreibung des Gases durch eine einfache Zustandsgleichung relativ unrealistisch ist, wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit eine vereinfachte Beschreibung der Gaskuehlung mittels

tabellierter, optisch duenner Molekuellinien integriert.

Eine vollstaendige Theorie der Sternentstehung sollte die Entwicklung einzelner Molekuelwolkenkerne (MWK) eindeutig vorhersagen koennen. Dies beinhaltet den Einfluss der Verteilung des Gesamtdrehimpulses des MWKs auf die Multiplizitaet und die akkretierte Masse der entstehenden Sterne. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist daher, die dynamische Entwicklung des kollabierenden Kerns sowie die Entstehung protostellarer Scheiben unter verschiedenen Voraussetzungen zu untersuchen, um gegebenenfalls vorhandene Abhaengigkeiten von Scheibenstruktur und physikalischen Anfangsbedingungen in der Gaswolke zu identifizieren.

Im Fall starr rotierender MWKs ist dies moeglich. Die durchgefuehrten Simulationen ergeben, dass sich als Funktion des Anfangsdrehimpulses eindeutig bestimmen laesst, wie groß, konzentriert und warm eine protostellare Scheibe sein wird. Je groesser der Drehimpuls j, desto groesser und kuehler auch die Scheibe. Ab einem bestimmten j bilden sich ausgepraegte Spiralarme und die Scheibe fragmentiert. Bei kleinerem j ist die Scheibe sehr konzentriert und heizt sich daher auf. Der zusaetzliche thermischen Druck wirkt stabilisierend, weswegen die Fragmentation

unterdrueckt wird. In Abhaengigkeit von Radius, j und Masse des MWKs ist es moeglich mittels einer einfachen analytischen Abschaetzung eine mittlere Scheibendichte zu berechnen und diese durch eine detaillierte Analyse mehrerer Simulationen grundsaetzlicher gleicher Kerne mit unterschiedlichem j zu ’eichen’. Untersucht wurde die mittlere Scheibendichte fuer die Fragmentation eintritt bzw. unterdrueckt wird. Im Vergleich mit Beobachtungen von dunklen MWKs fuehrt die berechnete

Diffusive Transportprozesse auf der Nanometerskala spielen eine entscheidende Rolle für das Verständnis

von kolloidalen Systemen jeglicher Art — in Anwendungen aus der Biologie sind sie gar

von lebenswichtiger Bedeutung. In dieser Dissertation untersuche ich die Diffusion von Makromolekülen

in verschiedenen Umgebungen anhand von drei typischen Modellszenarien.

Der zentrale Teil dieser Arbeit beschäftigt sichmit der Dynamik in Suspensionen dünner Stäbchen,

wobei die Stabformeine Idealisierung anisotroper, länglicher Teilchen mikroskopischerGröße

darstellt. Ein vereinfachtes Modell wird ausgearbeitet, welches das Problem auf die Bewegung

eines einzelnen Stäbchens in einem zweidimensionalen Parcours von punktförmigen Hindernissen

reduziert. Ich untersuche dieses Modell auf zweierlei Art: Zum einen habe ich Molekulardynamik-

Simulationen entwickelt, die die Brownsche Bewegung des Stäbchens über neun

Größenordnungen in der Zeit berechnen. Experimentell relevante Observablen werden dabei in

statistisch exzellenter Qualität erfasst, u.a. die intermediäre Streufunktion. Zum Zweiten formuliere ich eine analytische Beschreibung dieser Dynamik auf mesoskopischer

Skala, basierend auf der Smoluchowski-Perrin-Gleichung der freienDiffusion. Erstmals

präsentiere ich hierzu die geschlossene Lösung dieser Gleichung in zwei Dimensionen und zeige,

dass man mithilfe der Messung zweier Diffusionskoeffizienten eine quantitative mesoskopische

Theorie für Systeme mit Hindernissen gewinnt.

Der Vergleich der Simulationen mit der Theorie ermöglicht ein fundiertes quantitatives Verständnis

der Dynamik in Suspensionen von Stäbchen, gekennzeichnet durch mehrere Zeit- und

Längenskalen. Ich belege, dass die effektive Theorie bis hinab zu Längenskalen von der Größe

des mittleren Teilchenabstands gültig ist und untermauere die bisher nicht verlässlich gestützten

skalentheoretischen Vorhersagen von Doi und Edwards. Schließlich finde und erkläre ich ein intermediäres

Potenzgesetz in den Streufunktionen. Dies interpretiere ich als ein neues generisches

Charakteristikumder anisotopen Dynamik von Stäbchen in ungeordneten Suspensionen mit starker

gegenseitiger räumliche Einschränkung.

In Ergänzung dieses Themenkomplexes beschäftigt sich der erste Teil der vorliegenden Arbeit

mit dem diffusiven Transport in heterogenen Umgebungen fraktaler Geometrie—eine Fragestellung,

die für dieDynamik beispielsweise in porösenMedien und in der sehr heterogen zusammengesetzten

biologischen Zelle relevant ist. Im Rahmen des Lorentz-Modells bilde ich dieses Transportproblem

ab auf die Diffusion eines einzelnen, isotropen Teilchens im Leerraum zwischen zufällig

angeordneten harten Kugeln. Ich präsentiere umfangreiche Computersimulationen zusammen

mit einer detaillierten Skalenanalyse der kritischen Dynamik in der Nähe des Perkolationsübergangs.

In unmittelbarer Nähe des kritischen Punktes beobachte ich anomale Diffusion über

vier Größenordnungen in der Zeit. Diese herausragende Genauigkeit ermöglicht die Darstellung

der universellen dynamischen Skalenfunktion im sehr langsam konvergierenden Übergang zum

anomalen Bewegungsgesetz, unter Einbeziehung universeller Korrekturen des Potenzverhaltens.

Der letzte Teil der Arbeit ist der Dynamik einzelner semiflexibler Filamente gewidmet, die

z.B. im Zytoskelett der Zelle essentielle mechanische Aufgaben erfüllen. Die Bewegungsgleichung

eines solchen Polymers in strömenden Flüssigkeiten drücke ich durch die Dynamik der Eigenmoden

aus, unter Berücksichtigung der Zwangsbedingung longitudinaler Steifigkeit. Eine darauf

aufbauende Analyse der Rotation eines Polymers in Scheerströmungen beleuchtet das charakteristische

Verhalten der Modenspektren.

Zusammenfassend vertiefen meine Ergebnisse fundamental das Verständnis dynamischer Prozesse

bei der Diffusion von Makromolekülen, mit konkreten Vorhersagen für auch experimentell

messbare Größen. Besonders zu nennen ist hier die Streufunktion einer Suspension von Stäbchen,

deren intermediäres Potenzver

Femtosecond pump-probe spectroscopy in the UV to near infrared region has been implemented to monitor the energetic changes of valence electrons in molecules during

chemical reaction, and to identify the intermediates and their stabilization by the surrounding. New laser flash-techniques with semiconductor probe sources have been

developed to access reaction steps on the nano- to (milli-)second scale. As the

complementary methods use the same spectrally tunable femtosecond pump, the reaction

course can be followed for the first time over 14 magnitudes under identical starting

conditions. With these techniques the influence of substituents and solvent on the

reaction of medium sized molecules is studied to relate the structure to the reactivity and

to investigate the physical basis of this relation.

Based on a systematic variation of substituents the ground state reactivity of polar

reactants can be classified in a general scale that allows the quantitative prediction of

reaction speed: The reactivity of nucleophiles is parameterized via the kinetics of their

combinations with a reference set of diarylcarbenium cations. Here the underlying

empiric linear free energy relation is confirmed for fast bimolecular reactions from

milliseconds to the diffusion limit. Three highly reactive nucleophiles are classified. For

anions with two reaction centres, strong limitations of the HSAB principle and related

theoretical concepts are revealed as the observed reactivity contradicts their predictions.

In contrast to these bimolecular reactions, ultrafast structural reorganisation within

one molecule initiated by a femtosecond light pulse are not superposed by diffusive and

orientational motions or thermal activation. Such unimolecular reactions are studied in

three molecular families that exhibit electron transfer (ET) between donor and acceptor units arranged via a

central sp3-hybridized carbon. In spite of the common reaction centre the photo-processes

span pure physical deactivation to complete chemical conversion.

ET without bond cleavage is studied in low to high-polar solvents for a lactonic

derivative of triarylmethane. The optically populated charge transfer state is converted

into a highly polar charge transfer state. The observed kinetics of this conversion on the

picosecond-scale is strongly dependent on the solvent but not directly correlated to the

known solvation times. To explain these findings a quantitative model is established that

takes into account the relaxation processes of the solute-solvent system after optical

excitation. According to their unequal dipole moments, the donor and acceptor level of

the ET are stabilized during the solvation to a different extent. In sufficient polar solvents

the product state becomes that way energetically accessible and even favoured. This

dynamic behaviour of the energetics renders the barrier of the ET and in turn its rates in

forward and backward direction time-dependent. So the efficiency and kinetics of the ET

are fully determined by the solvation.

The dissociative ET of diarylmethane derivatives towards its ionic fragments is

resolved for the first time also spectrally – here for the precursor compounds of the nitrite

ion and diarylcarbenium cations of low and medium reactivity in the afore mentioned

scale. The main component of the absorption of the sp2-hybridized cation emerges within

a few 100 fs after excitation. The final band shape develops on the scale of 10 ps

predominantly by vibrational cooling as revealed by the spectral signatures. While the

sub-ps dynamics of the heterolytic dissociation is comparable with the reported one of

diphenylmethyl chloride, the channel via the radical pair and successive intermolecular

ET is reduced or even suppressed.

The photochromic transformation from dihydroazulene (DHA) derivatives to their

vinylhaptafulvene (VHF) isomers is found to proceed via the ring-opening on the fs- to

ps-scale followed by internal conversion on the VHF geome