Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 04/05

Recent advancements in laser technology are quickly moving the frontiers of research: quantum

dynamics can now be investigated in more detail, on new timescales, with an unprecedented

level of control. These new possibilities offer a new ground for the theoretical study of fundamental processes; at the same time, a proper understanding of phenomena involved is necessary

to explain measurements, and to indicate directions for further experiments. This Thesis deals with the theoretical investigation of particular cases of light-matter interaction, in atoms and in dielectrics. Regimes considered here have just become a subject of intensive investigation: they are acquiring more and more relevance as technological advancements make them experimentally accessible.

In the first part of the Thesis I consider a process as fundamental as the single-photon

ionization of atoms: my modeling will include an ultrashort pulse (full width half maximum

~ 100 as = 10^-16 s) exciting an electron to the continuum, and a strong few-cycle near-infrared

laser field. This configuration is suitable to reproduce recent streaking experiments on atoms. I

developed a numerical tool to simulate these dynamics in three dimensions: the process is quite

elaborate and requires an adequate description of multi-electron atoms. With proper approximations

I was able to calculate photoelectron spectra using just a few dipole matrix elements,

which were obtained with the aid of our external collaborators, from refined atomic structure

calculations. The results of our relatively simple tool are in very good agreement with more

sophisticated numerical calculations. In addition to that, I discuss my contribution to the theoretical support of a fundamental experiment [I]: both simulations and measurements indicate a

delay between two different channel of photoemission in neon. A careful investigation of the limit of validity of approximations employed reveals that the Coulomb-Volkov approximation is

not suitable to describe fine details of the interaction with the laser pulse. I also report on our

analysis of experimental data from angle-resolved attosecond streaking.

The second part of the Thesis is devoted to the investigation of inter-band excitations in

dielectrics; driving this process with a high degree of control is on the edge of current technology.

The ultrafast creation of charge carriers in an insulator is intriguing: dielectric properties of

the medium change drastically, revealing features of the peculiar electron dynamics in such a

situation. I have simulated this process solving the time dependent Schroedinger equation for

a single electron in a one-dimensional lattice and analyzed how the charge Q displaced during

the interaction with the pulse depends on laser parameters. These calculations reproduce to a

good extent the behavior observed in the experiment. Both the theory and the experiment

point out a strong dependence of Q on laser parameters: this promises a high degree of control, and at the same time suggests the possibility of a solid-state device to characterize an optical pulse. I also study in detail the modification occurring in the electric response of the sample to the electric field. The purpose of this analysis is to identify some features directly related to dynamics of newly created charge carriers.

During my investigation of electron dynamics during an excitation process, I have often

faced the difficulty to identify quantities which might resemble eigenstates of the time-dependent

Hamiltonian. Similar field-dressed states would describe the distortion due to the field, of eigenstates of the field-free Hamiltonian. A proper definition of field-dressed states would allow a correct interpretation of the wavefunction in terms of instantaneous excited population, which is otherwise impossible to define.

The axion is a pseudo-Nambu-Goldstone boson. It appears after the spontaneous breaking of the Peccei-Quinn symmetry, which was proposed to solve the strong-CP problem. Other pseudo-Nambu-Goldstone bosons, postulated in some extensions of the standard model of particle physics, are called axion-like particles (ALPs) if they share certain characteristics with the axion, in particular a coupling to two photons. Thus far, axion and ALP searches have been unsuccessful, indicating that their couplings have to be extremely weak. However, axions and ALPs could be responsible for some observable effects in astrophysics and cosmology, which can also be exploited to constrain the parameter space of these particles.

We focus on limits coming from cosmology, which is an optimal field for studying axions and ALPs. In particular, we first investigate the possibility of a primordial population of axions and ALPs arising during the earliest epochs of the universe. The importance of this analysis lies on the fact that axions and ALPs are ideal dark matter candidates because of their faint interactions and their peculiar production mechanisms. Finally, we consider the consequences of the decay of such a population on specific cosmological observables, namely the photon spectrum of galaxies, the cosmic microwave background, the effective number of neutrino species, and the abundance of primordial elements.

Our bounds constitute the most stringent probes of early decays and exclude a part of the ALP parameter space that is otherwise very difficult to test experimentally.

The goal of this thesis is to study the transport properties and real-time dynamics of quantum magnets and ultra-cold atomic gases in one spatial dimension using numerical methods. The focus will be on the discussion of diffusive versus ballistic dynamics along with a detailed analysis of characteristic velocities in ballistic regimes.

For the simulation of time-dependent density profiles we use the adaptive time-dependent density matrix renormalization group (DMRG). This numerical method allows for the simulation of time-dependent wave functions close to as well as far from equilibrium in a controlled manner.

The studies of one-dimensional quantum magnets are partially motivated by the experimental evidence for a highly anisotropic and for insulators comparably high thermal conductivity of certain cuprates. We use linear response theory to study transport coefficients at arbitrary temperatures by diagonalizing small systems exactly and then calculating the current-current correlation functions. As first application we discuss the spin transport in the spin-$1/2$ Heisenberg chain with anisotropic exchange interactions (XXZ-chain).

The second application of exact diagonalization, here in combination with time-dependent DMRG, is a discussion of the transverse components of the current-current correlation function. While usually only a Zeeman field is considered in the theory of transport coefficients, we here investigate the dynamic induced by an additional transverse magnetic field. We find that in this scenario the current-current correlation function exhibits coherent oscillations. In addition a second non-trivial frequency, different from the one expected from the usual Larmor precession, emerges and is studied varying temperature and field.

Finally we calculate the frequency-dependent spin and heat conductivity of dimerized spin chains in a magnetic field. Motivated by the recent experimental studies of the phase diagram of C$_5$H$_{12}$N$_2$CuBr$_4$ we take the dimerized chain as a minimal model that exhibits features of the low-temperature region of the observed phase diagram. As a main result, the spin and heat conductivity obtained from linear response theory are enhanced in the field-induced gapless phase.

The last application in the field of one-dimensional quantum magnets is the simulation of time-dependent energy-density wave-packets close to as well as far from equilibrium using the time-dependent density renormalization group. The main results are ballistic energy dynamics independently of how far out-of-equilibrium the initial state is and a detailed understanding of the average expansion velocity.

The applications in the field of ultra-cold atomic gases focus on the sudden expansion of an initially trapped gas into an empty optical lattice. This setup was recently realized in an experiment performed by U. Schneider {\it et al.} and discussed in the context of electronic transport in the two-dimensional and the three-dimensional Fermi-Hubbard model. Here we investigate the sudden expansion of three different setups:

For the expansion of a spin-balanced cloud of fermions, we identify the ballistic regime, and therein investigate the average expansion velocity of the cloud. As a main result the expansion velocity is determined by a small subset of the initial condition over a wide range of parameters. For instance, the Mott-insulating phase of the Hubbard model is characterized by a constant expansion velocity independently of the strength of the interaction.

In the case of spinless bosons, we study the expansion from initial states that have a fixed particle number per lattice site and a certain concentration of defects. We study the expansion velocity as a function of interaction strength and investigate whether the time-dependent momentum distribution functions indicate a dynamical quasi-condensation.

The last example is the sudden expansion of a spin-polarized gas of fermions in the presence of attr

This thesis presents the first measurement of the $\ww$ production cross section in proton-proton collisions

at $\sqrt{s} = 7 \TeV$ using the complete data set of $4.7 \ifb$ collected by the ATLAS detector at the LHC in the year 2011.

Three di-leptonic decay channels of the $\ww$ pairs are used for this analysis: decays into two electrons,

two muons, and decays into one electron and one muon. For each channel, a region with a high fraction of $\ww$ events is selected and

contributions from background processes are estimated using Monte Carlo simulations and data-driven techniques.

In total, 1524 $\ww$ candidate events are selected, with an estimated background of \mbox{$545 \pm 52$ events}.

The result of the measurement is: $$\sigma (pp \rightarrow \ww) = 52.6 \pm 2.1 \text{(stat)} \pm 4.5 \text{(syst)} \pm 2.1 \text{(lumi)} \pb$$ This is compatible with the Standard Model cross-section prediction at next-to-leading order of $\sigma (pp \rightarrow \ww) = 47.0^{+2.0}_{-1.5}$ pb.

In den zellulären Stoffwechsel- und Signalnetzwerken existiert eine Vielzahl von logischen Abhängigkeiten, die auf Prozesse auf molekularer Ebene zurückzuführen sind. So lässt sich beispielsweise die Effizienz einer biochemischen Reaktion über Enzyme regulieren, deren Aktivitätsgrad von äußeren Parametern abhängt. Kraft stellt eine dieser Einflussgrößen dar.

Diese Arbeit befasst sich damit, das Verhalten mehrerer, logisch verknüpfter, molekularer Domänen unter Krafteinwirkung zu studieren und sich deren Eigenschaften für nanotechnologische Verfahren zu Nutze zu machen.

Neben der Untersuchung von in der Natur vorkommenden Proteinen mit multiplen Domänen wurden artifizielle DNA- und proteinbasierte Systeme mit verschiedener Bindungsstärke konstruiert. Dies ermöglicht den gerichteten Transport einzelner, molekularer Bausteine mit der Präzision eines Rasterkraftmikroskopes im Nanometer-Bereich. Mithilfe dieser Single-Molecule Cut-and-Paste (SMCP) Technik können auf der Basis gerichteter, molekularer

Erkennung räumliche Arrangements funktioneller Bausteine geschaffen werden. Diese lassen sich mittels Fluoreszenzmikroskopie als isoliertes System betrachten.

Die Zielsetzung bei der Untersuchung der natürlichen Systeme war es, deren Abhängigkeiten zu verstehen und herauszufinden, wie sich diese mit ihrer Funktion und den an das Protein gestellten Umgebungsbedingungen in Einklang bringen lassen. Die dabei gewonnene Erkenntnis liefert nicht nur wichtige Beiträge zur biologischen und medizinischen Grundlagenforschung, sondern kann, wie am Beispiel der SMCP-Technik ersichtlich, auch hilfreich bei der Entwicklung neuartiger Messmethoden der molekularen Bio- und Nanotechnologie sein.

Mittels Einzelmolekülkraftspektroskopie im „Konstante-Kraft“ (engl. Force-Clamp) Modus wurde die Kooperativität der fünf Proteindomänen des Enzyms Titinkinase untersucht. Dieses Muskelprotein wandelt in der Skelett- und Herzmuskulatur mechanische in biochemische Signale um und regelt dadurch den Umsatz weiterer Proteine und die Expression von Genen. Es wird gezeigt, dass sich die einzelnen mechanisch induzierten Entfaltungsschritte gegenseitig bedingen und dass dies inhärent durch die molekulare Faltung des Proteins vorgegeben wird. Da Kraft zum natürlichen Parameterraum dieses Moleküls gehört, muss seine Struktur an kraftinduzierte konformationelle Änderungen angepasst sein. Durch die Abhängigkeit der Energiebarrieren während der Entfaltung wird gewährleistet, dass stabilisierende und enzymatisch wirksame Domänen nicht vor regulatorischen Domänen entfalten.

Myosin-Light-Chain Kinase (MLCK) ist ein weiteres Muskelenzym, bei dem es Hinweise auf eine mechanische Aktivierbarkeit gibt. Einzelmolekülexperimente dieser Dissertation zeigen, dass die Entfaltung der Kinase ebenfalls in mehreren Schritten vonstatten geht und dass einer der Zwischenzustände durch ATP-Bindung stabilisiert wird. Die absoluten Entfaltungskräfte liegen dabei unter denen der Titinkinase, was der Hypothese der mechanischen Aktivierbarkeit entgegenkommt.

Als weiteres System wurde das Cellulosom des thermophilen Bakteriums Clostridium Thermocellum auf seine mechanische Stabilität überprüft. Cellulosome sind an der Außenseite von Bakterien und Pilzen verankerte Proteinkomplexe, die in der Lage sind Lignozellulose zu zersetzen. Bei der Prozessierung der Cellulose können im Cellulosom hohe Scherkräfte auftreten, da dieses das gesamte Bakterium mit dem makromolekularen Substrat verknüpft. Mittels AFM-basierter Kraftspektroskopie wurde die Wirkung von Kraft auf einen Verbund verschiedener Konstituenten eines Cellulosoms untersucht. Es wird gezeigt, dass sich der Komplex im Vergleich zu anderen Biomolekülen durch eine extrem hohe mechanische Stabilität auszeichnet. Innerhalb der hohen Entfaltungskräfte besteht eine Hierarchie für die verschiedenen Komponenten. Bei vergleichsweise niedrigen Kräften entfalten die enzymatischen Domänen gefolgt von mittleren Kräften für das Entkoppeln der Enzy

Diese Dissertation widmet sich der Analyse der Eigenschaften der Systeme π−η und π−η′. Wir untersuchen dazu Daten, welche das COMPASS-Experiment am CERN im Jahr 2008 bei den Reaktionen π−p → π−π−π+π0p bzw. π−p → π−π−π+η mit niedrigem Impulsu ̈bertrag auf das Targetproton (0.1 GeV^2 < −t < 1 GeV^2) aufgezeichnet hat. Die isoskalaren Mesonen η und η′ erscheinen dann als Peaks in den invariante-Masse-Spektren der Dreikörpersysteme π−π+π0 bzw. π−π+η, die jeweils im Endzustand π−π+γγ selektiert wurden. Wir zerlegen die so gewonnenen Zweikörpersysteme nach Partialwellen. Wir finden eine einfache Vorschrift, welche es erlaubt allein anhand von Phasenraumfaktoren mit guter Übereinstimmung die Amplituden der geraden Partialwellen D+ (JP = 2+) und G+ (JP = 4+) zwischen den beiden Endzuständen zu übersetzen. Desweiteren gehen wir der Frage nach, ob eine beobachtete Intensität der P+-Welle mit einer Resonanz identifiziert werden kann. Ihr neutraler Isospinpartner hätte Quantenzahlen JPC = 1−+, welche nicht mit einem Fermion-Antifermion-Zustand identifiziert werden können, welche also nicht einem Quarkmodellzustand zugeordnet werden können. Zudem identifizieren wir die bekannten Mesonen a2(1320) und a4(2040), deren Verzweigungsverhältnisse wir bestimmen.

Bevor wir zu diesen Ergebnissen kommen, beschreiben wir die bekannten Eigenschaften der starken Wechselwirkung im Hinblick auf die Systematisierung mesonischer Systeme. Wir diskutieren die im von uns betrachteten Bereich hoher Energien und niedriger Impulsüberträge übliche Behandlung von Streuprozessen als t-Kanalaustausch sogenannter Regge-Trajektorien und erörtern Symmetrieeigenschaften, welche die Datenanlyse erheblich vereinfachen.

Anschließend diskutieren wir das COMPASS-Experiment, wobei wir besonderes Gewicht auf die Teile legen, welche bei der Gewinnung der in dieser Arbeit analysierten Daten wesentlich waren. Insbesondere beschreiben wir den als Teil dieser Arbeit entwickelten Sandwich-Veto-Detektor, ein elektromagneitsches Kalorimeter, welches als wesentlicher Teil des Triggersystems die verwertbaren Daten um einen Faktor > 3 anreicherte, indem es Ereignisse ausschloss, in welchen Reaktionsprodukte das Spektrometer verfehlten.

Um die Datenselektion mit bestmöglicher Qualität durchführen zu können, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein datenbasiertes Eichverfahren für die elektromagnetischen Kalorimeter des COMPASS-Experiments entwickelt. Eine Software zum kinematischen Fit wurde ebenso entwickelt und benutzt, um eine möglichst hohe Auflösung zu erzielen. Wir zeigen kinematische Größen, die die vorliegenden Produktionsmechanismen verdeut- lichen.

Wir erläutern das Analyseverfahren der sogenannten Partialwellenanalyse in seiner Anwendung auf die betrachteten periphär produzierten Systeme aus zwei Pseudoskalaren Teilchen und die benutzten Softwarelösungen, welche teilweise eigens für diese Arbeit entwickelt wurden. Diese Techniken wenden wir auf die Daten an und kommen so zu den bereits oben erwähnten Ergebnissen. Wir vergleichen auch die Ergebnisse, die wir mit zwei verschiedenen Ansätzen erhalten. Beim einen wird das π−η(′)-System als Zweikörpersystem behandelt, beim anderen werden die Dreikörperzerfälle η → π−π+π0 bzw. η′ → π−π+η zur Untergrundseparation benutzt und somit ein Vierkörpersystem behandelt.

Wir heben an dieser Stelle besonders hervor, dass wir eine einfache Transformation finden, welche es erlaubt die beobachteten Partialwellen D+ und G+ mit Quantenzahlen JP = 2+ bzw. 4+ zwischen den beiden Systemen ηπ− und η′π− als qualitativ gleichartig zu erkennen. Wir stellen aber auch fest, dass diese Gleichartigkeit für die spin-exotische P+-Welle nicht gegeben ist.

Zuletzt führen wir in Analogie zu früheren Analysen Modellfits durch, in welchen wir Parametrisierungen der Daten anhand von Breit-Wigner-Resonanzamplituden finden, und nutzen diese, um Verzweigungsverhältnisse der bekannten a2(1320) und a4(2040) Mesonen zu gewinnen. Wir vergleichen diese mit den Vorhersage

This work aims at enabling quantitative optical nitrogen line spectroscopy in O-stars, in order to improve our knowledge about these objects, particularly their earliest spectral subtypes. To this end, nitrogen has proven to be a key element, both in terms of its potential to infer effective temperatures, and for being the best tracer for testing the effects of rotational mixing in massive stellar

models, allowing us to further constrain the evolution of

massive stars.

To accomplish this study, we used the NLTE (non local thermodynamic equilibrium) atmosphere/spectrum synthesis code FASTWIND, and developed a new nitrogen model atom,

partly based on older work, comprising the ionization stages NII to NV. Moreover, we incorporated the dielectronic recombination mechanism into FASTWIND, which was previously unable to deal with this process.

We performed an extensive investigation on the line-formation process of strategic nitrogen emission lines such as NIII4640 and NIV4058, accounting for a complete treatment of line blocking/blanketing effects and the presence of a wind, as it is possible when using a state-of-the-art atmospheric code. Contrasted to the results from the seminal work on the NIII triplet

formation performed by Mihalas & Hummer (1973), based on much simpler model atmospheres, our study implies that dielectronic recombination plays only a secondary role under Galactic conditions. Rather, the emission

is controlled by the stellar wind (Swings mechanism), as long as the wind is powerful enough to enable a significantly accelerating velocity field already in the photospheric formation region. For later

spectral O-subtypes, the strength of the emission might be also affected by an OIII resonance line overlapping with the NIII resonance line in the EUV. Concerning the emission at NIV4058, we suggest a rather similar

mechanism. Also in this case, the dominating process is the strong depopulation of the lower level of the transition, which increases as a function of the wind-strength. Unlike the NIII triplet emission, however, resonance lines do not play a role for typical mass-loss rates and below.

Using the updated version of FASTWIND and our new model atom, we derived nitrogen abundances for a substantial O-star sample in the Large Magellanic Cloud (LMC). Stellar and wind parameters of our sample stars were determined by line profile fitting of hydrogen, helium and nitrogen lines, exploiting the corresponding ionization

equilibria. The bulk of our sample stars turned out to be strongly nitrogen-enriched, and a clear correlation of nitrogen and helium enrichment was found. By comparing the nitrogen abundances as a function of projected rotation velocity with tailored evolutionary calculations, we identified a considerable number of highly enriched, but slowly rotating object, which should not exist according

to standard theory of rotational mixing. Our findings support the basic outcome of previous B-star studies within the VLT-FLAMES survey on massive stars which pointed to similar discrepancies. The detection of strong nitrogen enrichment in the bulk of our sample stars indicates that efficient mixing takes place already during the very early phases of stellar evolution of LMC O-stars.

In the last part of this thesis, we concentrated on the applicability of the Walborn et al. (2002) classification scheme for very early O-stars, which is primarily based on the relative strengths of the NIV4058 and NIII4640 emission lines. This scheme has already been used in a variety of studies, but is still disputed for various reasons. We provided first theoretical predictions on the

NIV4058/NIII4640 emission line ratio in dependence of

different parameters, and confronted these predictions with results from an analysis of a sample of early-type LMC/SMC O-stars. Though we found a monotonic relationship between the NIV/NIII emission line ratio and the effective temperature, all other parameters being equal