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

Der erste Teil dieser Arbeit stellt die Konstruktion, Inbetriebnahme und ersteDaten eines neuen optischen, faserbasierten Feldspektrographen namens VIRUS-Wvor. Die Entwicklung wurde durch den Bau des neuen 2 m Fraunhofer Teleskops aufdem Berg Wendelstein in den Bayrischen Alpen motiviert. Die besondereEigenschaft dieses Instruments liegt zum einen in der Fähigkeit, Spektren ineinem zweidimensionalen Sichtfeld aufzuzeichnen, und zum anderen in derKombina- tion eines grossen Sichtfeldes von 105 ′′ × 55 ′′ mit einer relativgrossen instrumentellen Auflösung von R = 8700. Diese Auflösung erlaubt es,Geschwindigkeitsdispersionen von Sternen und Gas bis hinunter zu 15 kms−1aufzulösen. Es wird im Allgemeinen erwartet, dass dies dem Regime entspricht,in dem sich Sterne in Scheiben bilden. Der abgedeckte Spektralbereich diesesDynamikmodus beträgt 4850 A bis 5480 A. Zusätzlich bietet VIRUS-W einen

zweiten Modus, welcher der Studie der Zusammensetzung von stellarenPopulationen, also z.B. deren Alter und Metal- lizität, gewidmet ist. Diespektrale Auflösung ist hier geringer (R = 3300), aber der abgedeckteSpektralbereich ist weiter und beträgt 4340 A bis 6040 A. Dies deckt einegrössere Zahl von Absorptionsbanden im stellaren Spektrum ab. Insbesondere isthier Hβ enthalten, welches eine wichtige Grundlage zur Bestimmung des Alterseiner Stellaren Population liefert. Bis zur Fertigstellung des WendelsteinTeleskops wird sich der Spektrograph an dem 2.7m Harlan J. Smith Teleskop des

McDonald Observatoriums in Texas befinden. Dort nahm er im November 2010

erfolgreich seinen Betrieb auf. Die bei der Inbetriebnahme gewonnenen Daten

erlauben uns, die genaue spektrale Auflösung und die Effizienz zu bestimmen.

Durch den Vergle- ich der aufgezeichneten Daten eines spektrophotometrischen

Standardsterns mit veröffentlichten Werten errechnen wir fu ̈r das gesamte

Atmosphären-Teleskop-Spektrographen-System eine Ef- fizient von 37% im

hochauflösenden Dynamikmodus und von 40% im niedriger auflösenden Modus. Wir

schliessen diesen Teil mit der Diskussion der Beobachtungen der drei Galaxien

NGC2903, NGC205 und NGC3091 aus den November- und Dezember- Kampagnen ab und

präsentieren erste Geschwindigkeitsfelder und Messungen von Absorptionen. Der

Vergleich mit Literaturdaten für NGC205 zeigt, dass wir in der Lage sind,

diese sehr niedrigen Dispersionen von ≃ 20km/s zuverlässig wiederzugeben.

Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit einer Beobachtungsreihe von

Bulgeregionen be- nachbarter Spiralgalaxien, die wir am Hobby-Eberly-Teleskop

des McDonald Observatoriums mit dem LRS Langspaltspektrographen durchgefu ̈rht

haben. Wir präsentieren kinematische Profile entlang der Hauptachse von 46

Galaxien der Hubbletypen S0 bis Sc. Für 28 dieser Objekte stellen wir

ausserdem Profile entlang der kleineren Halbachse vor. Ein systematischer

Vergleich der gewonnenen Daten mit photometrischen Dekompositionen erlaubt es

uns zu zeigen, dass die Unterscheide, die verschiedene Bulgetypen in ihrem so

genan- nten Sersic-Index zeigen, auch in der Kinematik widergespiegelt werden.

Pseudobulges zeigen oft eine scheibenartige Morphologie und haben niedrigere

Sersic-Indizes — also ein Leuchtkraft- profil, das eher demjenigen einer

Scheibe entspricht. Klassische Bulges haben im Allgemeinen grössere

Sersic-Indizes (n > 2). Wir zeigen, dass Pseudobulges auch schwächere

Gradienten der Geschwindigkeitsdispersion als Funktion des Radius

aufweisen — ihre Dispersionsprofile sind also vorwiegend flach. Höhere Sersic-Indizes

hingegen treten in Galaxien mit steiler abfallenden Dispersionprofilen auf.

Ausserdem beobachten wir, dass Pseudobulges vorwiegend in Galaxien mit

nierigeren zentralen Geschwindigkeitsdispersionen auftreten und einen

grösseren Grad von Rotation im Verhältnis zu ihrer mittleren

Geschwindigkeitsdispersion zeigen.

Solar cells generate clean electricity from sunlight. However, they remain significantly more

expensive than other, less environmentally-friendly, energy generation technologies. Although

the emergence of thin-film solar cells, low-cost alternatives to the prevailing crystalline silicon

solar cells, has been a significant advance in photovoltaic technology, these devices typically

suffer from low absorption. If this absorption could be enhanced, it would enable an increase

in power conversion efficiency and hence a reduction in cost/kW of generating capacity. This

is the motivation of the work presented in this doctoral thesis. Metallic nanostructures are used

to trap light within the semiconductor film in organic solar cells. By increasing the optical path

length, the probability that photons are absorbed before exiting the film is increased. A novel

process is developed to fabricate nanostructured metallic electrode organic solar cells. These

devices feature a nanovoid array interface between the metallic electrode and the semiconduc-

tor film. Absorption enhancements over conventional, planar architectures as high as 45% are

demonstrated. This light-trapping is found to be largely enabled by localized void plasmons.

The experimental investigations are supported by finite element simulations of absorption in

solar cells, which display very good agreement with experimental results. It is found that light

trapped in organic solar cell architectures is very efficiently absorbed by the organic film - in-

creases in the exciton generation rate per unit volume of semiconductor material of up to 17%

are observed. The simulation routine is additionally used to compare and contrast common

plasmonic architectures in organic solar cells. The role of the metallic nanostructure geometry

on the dominant light-trapping mechanism is assessed for various size domains and optimum

architectures are identified. When implemented according to the findings of this thesis, light-

trapping will have the potential to vastly increase the efficiency and hence decrease the price

of thin-film solar cells.

This thesis is focused on detector concepts and analyses investigated at a future linear electron positron collider. For precision measurements at such a collider, the CALICE collaboration develops imaging calorimeters, which are characterized by a fine granularity. CALICE has constructed prototypes of several design options for electromagnetic and hadronic calorimeters and has successfully operated these detectors during combined test beam programs at DESY, CERN and Fermilab.

To improve the hadronic energy reconstruction and energy resolution of a hadron calorimeter prototype with analog readout three software compensation techniques are presented in this thesis, of which one is a local and two are global software compensation approaches. One method is based on a neural network to optimize the energy reconstruction, while two are energy weighting techniques, depending on the energy density. Weight factors are extracted from and applied to simulated and test beam data and result in an average energy resolution improvement of 15 - 25 % compared to a reconstruction without software compensation.

Whether such software compensation techniques are also applicable to a detector concept for a future linear electron positron collider is studied in the second part of this thesis. Simulated data, two different hadronic detector models and a local software compensation technique are used for this study. The energy resolutions for single hadrons and for jets are presented with and without software compensation.

In the third part of this thesis, a study on top quark pair production at a center-of-mass energy of 500 GeV at the proposed electron positron collider CLIC is presented. The analysis is based on full detector simulations, including realistic background contributions dominated by two photon processes. The mass and width of the top quark are studied in fully-hadronic and semi-leptonic decays of top quark pairs using event samples of signal and Standard Model background processes, corresponding to an integrated luminosity of 100 fb^-1. Statistical uncertainties of the top mass of 0.08 GeV and 0.09 GeV are obtained for the fully-hadronic and the semi-leptonic channels, respectively.