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

Die moderne Anrege-Abfrage-Spektroskopie (Pump-Probe-Spektroskopie) ermöglicht es, die Mehrheit der relevanten physikalischen und chemischen Prozesse zeitaufgelöst zu messen. Die Pump-Probe-Spektroskopie wird in der fundamentalen, industriellen, biomedizinischen und Umweltforschung angewendet, um ein breites Spektrum von komplizierten Substanzen zu untersuchen. Diese Dissertation demonstriert das große Potenzial der transienten Spektroskopie für die Untersuchung von ultraschnellen chemischen Reaktionen komplizierter organischer Moleküler (Allylverbindungen). Auch einige praktische Vorschläge zur Verbesserung der spektroskopischen Messroutine werden gegeben.

Die Bestimmung des Zeit-Nullpunkts (zeitlicher Überlapp) der Anrege- und Abfragepulse ist sehr wichtige und keine triviale Aufgabe in einem Anrege-Abfrage-Experiment. Im Kapitel 3 werden die Ergebnisse der Untersuchung von bekannten Laserfarbstoffen und anderen Substanzen, die erfolgreich zur Zeit-Nullpunkt Kalibrierung benutzt werden können, beschrieben.

In den Kapiteln 4 und 5 werden die Ergebnisse der spektroskopischen Untersuchung von einigen interessanten Allylsystemen präsentiert. Es ist uns gelungen zu zeigen, dass die spezifische molekulare Einheit (die Styrolgruppe) als Chromophor dient, was während der UV-Anregung von Allylen mit Kurzpuls-Lasern zur Lokalisierung der Anregung auf der Styrolgruppe führt. Durch die Benutzung dieser Eigenschaft und den Wechsel von Abgangsgruppen und Substituenten haben wir detailiert den Bindungsbruch und die geminate Ionenpaar-Rekombination von unsubstituierten, symmetrisch und unsymmetrisch substituierten Allylsystemen untersucht.

In der vorliegenden Dissertation werden Eigenschaften stark gekoppelter hydrodynamischer Theorien untersucht, die mittels einer dualen Beschreibung als höherdimensionale gravitative Systeme aufgefasst werden können. Besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Berechnung physikalischer Größen wie Viskositäten oder Diffusionskonstanten. Diese werden hinsichtlich der Frage betrachtet, ob sie allgemeingültigen, universellen Gesetzmäßigkeiten folgen, die man aus der Beschreibung mittels einer Gravitationstheorie ableiten kann.

Die theoretische Grundlage bildet hierbei die Dualität konformer Quantenfeldtheorien im Minkowski Raum und höherdimensionaler Stringtheorien im Anti-de Sitter Raum, die AdS/CFT Korrespondenz. Einen besonders interessanten Grenzfall stellt der Limes starker Kopplung und hoher Anzahl von Freiheitsgraden der konformen Feldtheorie dar, in dem sich die duale Beschreibung zu klassischer Gravitationstheorie im AdS Raum vereinfacht. Mittels störungstheoretischer Betrachtung der Fluktuationen von Schwarzen Loch Lösungen der Gravitationstheorie lassen sich universelle hydrodynamische Eigenschaften der stark gekoppelten Feldtheorie beschreiben.

Eines der Hauptergebnisse dieses Forschungsgebietes ist der Nachweis, dass Fluide, die durch eine einfache duale Gravitationstheorie mit ungebrochener Rotationsinvarianz beschrieben werden können, ein universelles Verhältnis aus Scherviskosität und Entropiedichte besitzen. Erstaunlicherweise stimmt dieses Verhältnis parametrisch mit dem gemessenen Wert des stark gekoppelten Quark-Gluonen-Plasmas überein, ohne dass eine direkte Beschreibung dieser QCD Phase momentan möglich ist.

In der vorliegenden Arbeit wird die Konstruktion eines ähnlichen, universellen Zusammenhangs beschrieben. In der hydrodynamischen Beschreibung supersymmetrischen Feldtheorien existiert eine Diffusionskonstante, die, ähnlich der Scherviskosität, den spurfreien Teil der Konstitutivgleichung des Supersymmetriestroms beschreibt. Wir berechnen diese Konstante in supersymmetrischen Theorien allgemeiner Dimension mittels verschiedener unabhängiger Rechnungen. Dazu betrachten wir als duale Gravitationstheorie eine generische Supergravitationstheorie. Die Bewegungsgleichung des zum Supersymmetriestrom dualen Gravitinos in Schwarzen Loch Hintergründen wird gelöst und erlaubt die Berechnung der retardierten Greenschen Funktion des Supersymmetriestroms der Feldtheorie. Diese besitzt einen Pol, der die charakteristische Schalldispersionsrelation des Phoninos beschreibt, des Goldstonefermions spontan gebrochener Supersymmetrie aufgrund endlicher Temperatur. In dieser Dispersionsrelation findet sich die besagte Diffusionskonstante, die sich auch mittels einer neuartigen Kubo-Formel direkt aus der Greenschen Funktion berechnen lässt.

Das Hauptergebnis der Arbeit bildet hierbei die Etablierung eines Zusammenhangs dieser Diffusionskonstante und eines universell gültigen Absorptionsquerschnitts auf der dualen Seite der Gravitationstheorie, der die Absorption von Spinoren von einem Schwarzen Loch Hintergrund beschreibt.

Eine weitere bedeutende Entwicklung besteht in der Entdeckung eines neuartigen Transportkoeffizienten, der einen beobachtbaren induzierten Strom aufgrund der Vortizität eines Fluids beschreibt. Dieser stellt die klassische Manifestation eines quantenmechanischen Effektes dar, der entsteht, wenn die zugrunde liegende mikroskopische Theorie eine quantenmechanische chirale Anomalie aufweist.

Wir untersuchen diesen Effekt mithilfe eines theoretischen Ansatzes, der verschiedene Zugänge zum Verhältnis von Hydrodynamik und Gravitation miteinander vereint. Dazu werden rotierende D3-Branen effektiv als asymptotisch flache Verallgemeinerungen von fünf-dimensionalen AdS Reissner-Nordström Schwarzen Löchern beschrieben. Die Fluktuationen dieses Hintergrundes beschreiben nun eine effektive hydrodynamische Theorie auf einer Fläche in festem Abstand zur Singularität des Schwarzen Lochs, auf der die Fluktuat

Specific interactions of biomolecules are central to cellular processes, drug discovery and immunodiagnostics. Such biological binding events are quantifiable via thermophoresis, the directed molecule movement driven by a temperature gradient. Biomolecule thermophoresis can be induced by infrared laser heating and analyzed using fluorescence. The objective of this thesis was to enhance and optimize these all-optical measurements, regarding instrumentation, assay design and biomedical applications.

In the first part, a novel measurement device and approach are presented, which cut down sample consumption 50-fold compared to established capillary thermophoresis. Instead of capillaries, analysis was performed in 10 nl-sample droplets transferred into standard 1536-well plates with a non-contact liquid handler (Labcyte). To prevent evaporation, the aqueous sample droplets were stabilized in an oil-surfactant mix. Temperature induced effects in this water-in-oil system were experimentally characterized and the results agreed with numerical simulation. The system’s applicability for biomolecular interaction analysis was confirmed with a DNA aptamer. The achieved miniaturization and the easy-to-handle multi-well plate format promote automated high-throughput screens. Besides aptamers, proteins should also be measurable very well when judging from the application depth of capillary measurements.

This versatility of protein investigation via capillary thermophoresis is demonstrated in the second part. Successful experiments were not only conducted in diverse liquids including crude cell lysate, but also for binding partners with a broad range of molecular weight ratios. Affinities between protein and protein, protein and peptide, as well as protein and small molecule were determined with high accuracy. Further flexibility arises from the herein presented label free approach which utilizes protein intrinsic UV fluorescence. It is caused by aromatic amino acids with tryptophan being the major intrinsic fluorophore. This approach exempts from the need to attach a dye, which saves time and excludes labeling artifacts.

The wide variety of proteins that can be analyzed with thermophoresis also includes anti-bodies.

Two applications of such thermophoretic immunoassays are introduced in the third part. Firstly, the therapeutically interesting antibody MCPR3-7 was assessed. MCPR3-7 binds proteinase 3 (PR3), the major autoimmune target in granulomatosis with polyangiitis. Thermophoresis allowed to quantified MCPR3-7’s affinity and selectivity for different PR3 forms. In addition, it revealed that the antibody interferes with the complexation of PR3 and alpha-1-proteinase inhibitor (alpha-1PI). Secondly, a diagnostic autocompetition assay is described, which directly determines affinity and concentration of disease related biomarkers. It was applied for autoantibodies against the cardiac β1-adrenoceptor found in patients suffering from dilated cardiomyopathy. To detect these autoantibodies, the small peptide COR1 mimicking the adrenoceptor’s dominant epitope served as an artificial antigen. This tracer was labeled with a red-fluorescent dye, which ensured selectivity for measurements directly in untreated human blood serum. The results prove that thermophoresis is a valuable tool to characterize antibodies including those of diagnostic value and those with a therapeutic potential.

Taken together, the presented innovations in assay design and the novel nl-droplet approach can be expected to considerably widen the application spectrum of thermophoresis in fundamental research, industrial drug discovery and clinical laboratory diagnostics.

Diese Arbeit ist eine kumulative Dissertation und besteht aus drei Aufsätzen. Sie setzt die

Studien der Diplomarbeit zur eigenständig kohärenten Beschreibung der wakevermittelten

Modenkopplung in Plasmakristallen fort.

Der erste Aufsatz untersucht die Ionengeschwindigkeitsverteilung (idf) in einem schwach-ionisierten Gas, welches einem homogenen elektrischen Feld ausgesetzt ist und in dem

Ladungsaustauschkollisionen der dominante Stoßtyp sind. Die Untersuchung geht dabei nur von elementaren Grundprinzipien aus und ist somit eigenständig kohärent. Die "Referenzverteilung" wird mittels einer Monte-Carlo-Simulation (MC-Simulation) am Beispiel des energieabhängigen Wirkungsquerschnitts für Argon berechnet. Ich nutze mehrere analytische Modelle (basierend auf einem konstanten Wirkungsquerschnitt oder konstanter Stoßfrequenz) und vergleiche die entsprechenden idfs untereinander, sowie mit der Referenzlösung. Es zeigt sich, dass kein Modell für den experimentell häufig wichtigen Fall

eines schwach suprathermalen Ionenstroms mit befriedigender Genauigkeit anwendbar ist.

Einen konstanten Wirkungsquerschnitt und Separabilität der idf annehmend, sowie darauf folgende Maxwell-gewichtete Mittelung, reduziert die integro-differentielle Boltzmanngleichung zu einer gewöhnlichen Differentialgleichung. Ich zeige, dass ihre Lösung die Resultate der MC-Simulation, für beliebige Stärke des Ionenstroms, mit großer Genauigkeit reproduziert. Das gewonnene Modell lässt sich auf eine Vielzahl von Problemen im Bereich der komplexen Plasmen anwenden - darunter der Ladungsvorgang der Staubteilchen, die Bildung von Wakefeldern und nicht-Hamiltonische Dynamik. Im zweiten Aufsatz behandle ich das vorrangige Beispiel eines nicht-Hamiltonischen Prozesses in zweidimensionalen (2D) Plasmakristallen: Die Modenkopplungsinstabilität (MCI), induziert durch die wakevermittelte Wechselwirkung der Staubteilchen. Durch das Einbinden des Formalismus einer linearen Plasmarückantwort (zur eigenständig kohärenten Beschreibung der Teilchenwechselwirkung) wird die bisherige Theorie erweitert. Ich verwende dazu die Ergebnisse des ersten Aufsatzes für subthermale und suprathermale Ionenströme. Ein Abbildungsverfahren setzt die eigenständig kohärenten Kopplungskoeffizienten und das effektive Dipolmoment der Wakes miteinander in Beziehung. Das Dipolmoment ist ein fundamentaler Parameter, welcher die Modenkopplung im üblicherweise verwendeten "Yukawa-Punktwake-Modell" charakterisiert. Ich wende das Abbildungsverfahren auf verfügbare experimentelle Daten an. Die resultierende Größenordnung des Dipolmoment zeigt in mehreren Fällen das Vorliegen starker Modenkopplung an. Diese wurde zuvor nie systematisch untersucht.

Dieses Ergebnis motiviert die Untersuchungen der dritten Veröffentlichung: Ich studiere den Einfluss starker Staubteilchen-Wake-Wechselwirkungen auf Dispersion und Polarisation von Staubgittermoden in 2D-Plasmakristallen. Die starke Kopplung bewirkt eine "Anziehung" zwischen den Moden und macht ihre Polarisationen elliptisch. Bei Hybri-

disierung rotieren die Hauptachsen der Lissajous-Ellipsen um 45° (bleiben aber weiterhin

senkrecht zueinander). Um die Implikationen für Experimente aufzuzeigen, berechne ich

die entsprechenden Teilchenbahnen und spektrale Dichten der longitudinalen und transversalen Moden. Beide Observablen offenbaren deutliche Spuren elliptischer Polarisation. Abschließend untersuche ich die Verschiebung der Hybridisierung bei starker Kopplung. Der

Effekt ist signifikant: Das Einsetzen der Hybridisierung erfolgt bei Wellenzahlen welche

merklich kleiner sind als die Grenze der Brillouin-Zone (wo die Hybridmode bei schwacher

Kopplung zuerst auftritt).

Galaxy clusters, the massive systems host hundreds of galaxies, are invaluable cosmological probes and astrophysical laboratories. Besides these fascinating galaxies, the concentration of dark matter creates a deep gravitational potential well, where even light passing by is bended and the background image is distorted. The baryonic gas falling into the potential well is heated up to more than 10^7 K that free electrons start to emitting in X-ray. Observing those phenomena leads to a throughout understanding of gravity, particle physics and hydrodynamics. In addition, residing on the top of the density perturbations, clusters are sensitive to the initial condition of the Universe, such that they are complimentary tools for cosmology studies.

In this thesis we first introduce the basic framework of the Universe and supporting observational evidence. Following that, we sketch the principle to use clusters for cosmology study via their redshift and mass distribution. However cluster mass is not a direct observable, so we need to estimate it by other channels. We briefly exhibit cluster observations in optical, X-ray and microwave bands and discuss the challenges in estimating the underlying cluster mass with them. After this introduction, we present our results on three aspects of the cluster cosmology study.

First, we present a study of Planck Sunyaev-Zel’dovich effect (SZE) selected galaxy cluster candidates using Panoramic Survey Telescope & Rapid Response System (Pan-STARRS) imaging data. To fulfil the strength of SZE survey, the redshifts of clusters are required. In this work we examine 237 Planck cluster candidates that have no redshift in the Planck source catalogue. Among them, we confirmed 60 galaxy clusters and measure their redshifts. For the remaining sample, 83 candidates are so heavily contaminated by stars due to their location near the Galactic plane that we do not identify galaxy members and assign reliable redshifts. For the rest 94 candidates we find no optical counterparts. By examining with 150 Planck confirmed clusters with spectroscopy redshifts, our redshift estimations have an accuracy of σ_{z/(1+z)}~0.022. Scaling for the already published Planck sample, we expect the majority of the unconfirmed candidates to be noise fluctuations, except a few at high redshift that the Pan-STARRS1 (PS1) data are not sufficiently deep for confirmation. Thus we use the depth of the optical imaging for each candidate together with a model of the expected galaxy population for a massive cluster to estimate a redshift lower limit, beyond which we would not have expected to detect the optical counterpart.

Second, we use 95GHz, 150GHz, and 220GHz observations from South Pole Telescope (SPT) to study the SZE signatures of a sample of 46 X-ray selected groups and clusters drawn from ~6 deg^2 of the XMM-Newton Blanco Cosmology Survey (XMM-BCS). The wide redshift range and low masses make this analysis complementary to previous studies. We develop an analysis tool that using X-ray luminosity as a mass proxy to extract selection-bias corrected constraints on the SZE significance- and Y_{SZ}-mass relations. The SZE significance- mass relation is in good agreement with an extrapolation of the relation obtained from high mass clusters. However, the fit to the Y_{SZ}-mass relation at low masses, while in agreement with the extrapolation from high mass SPT sample, is in tension at 2.8σ with the constraints from the Planck sample. We examine the tension with the Planck relation, discussing sample differences and biases that could contribute. We also analyse the radio galaxy point source population in this ensemble of X-ray selected systems. We find 18 of our systems have 1 GHz Sydney University Molonglo Sky Survey (SUMSS) sources within 2 arcmin of the X-ray centre, and three of these are also detected at significance >4 by SPT. Among these three, two are associated with the brightest cluster galaxies, and the third is a likely

Although thermophoresis, i.e. the directed movement of molecules in a temperature gradient, was discovered more than 150 years ago, its molecular origin is not jet fully understood. Nonetheless thermophoresis is used as a principle in biomolecular binding measurements. Both topics are interesting and worth a scientific discussion. In this thesis, systematic experiments over a large parameter space were conducted. From these measurements a combination of different theories about its molecular origin could be verified. Thus, the first result of this thesis is that the phenomenon thermophoresis consists of different additive contributions. Some of them relate to the ionic nature of the molecule and are non-existent when the molecule is electrically neutral. The microscopic mechanism of these ionic contributions to thermophoresis is discussed in the first part. It continues the work on the capacitor model and explains a further contribution, which we call Seebeck effect in analogy to solid state physics. Through the different contributions we bridge the gap between local thermodynamic equilibrium approaches and non-equilibrium theories. Several applications will greatly benefit from understanding the molecular physics of thermophoresis. Pharmacological screens are conducted to determine the binding affinity of a whole molecular library to a target molecule and thus to identify the best candidates for a new drug. These screens will be improved when thermophoresis can be predicted and for example the influence of the buffer can be determined. Binding measurements of biomolecules can already be conducted in cell lysate. The second part of this thesis will show thermophoresis measurements inside living cells for the first time. This paves the way for in vivo binding measurements inside cells. To make thermophoresis measurements compatible to cell culture, the setup was changed in great parts, now using total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy.

Combining all knowledge we have gathered about the origin, evolution and current state of the universe it appears indisputable that 95% of the mass-energy density in today's universe is comprised of unknown substances called dark matter and dark energy. This thesis explores different aspects of and develops models for the formation of the largest structures we observe in the universe, because these structures -- the cosmic web made of dark matter halos, clusters of galaxies and galaxies -- sensitively depend on properties of dark matter and dark energy, in particular on their abundances, the equation of state of and possible new interactions mediated by dark energy.

Current and upcoming surveys map the large scale structure (LSS) with increasingly higher precision and in larger volumes. In order to optimally extract cosmological parameters we need to build accurate models for LSS formation that also describe how LSS is perceived by real observers trough processes affecting light propagation. Only then can we reliably reconstruct the cosmological parameters and identify the models for dark matter and dark energy preferred by the data. Therefore this thesis contributes to the endeavor to ultimately uncover the nature of dark matter and dark energy.

Chapter 2 studies a dark energy model which mediates a ``fifth force'' enhancing Newtonian gravity only on large scales due to the chameleon mechanism, but leads to an expansion history indistinguishable from the case where dark energy is a cosmological constant. Hence the only observables that can discriminate them are related to structure formation. We study the abundance of dark matter halos per halo mass with semi-analytical techniques to find a fit function depending on the model parameter responsible for the range and strength of the fifth force. We find good agreement with Monte-Carlo and N-body simulations of the mass function. Our result is a fit function for the halo mass function that can be used to constrain this model and to look for signatures of the chameleon effect in observations of galaxy of clusters.

In Chapters 3 and 4 we show why it is justified to use Newtonian gravity instead of General Relativity on all scales to accurately describe LSS formation in a universe governed by a cosmological constant and cold dark matter.

In Chapter 5 we show that a complex scalar field solving the Schrödinger-Poisson equation is able describe collisionless selfgravitating dark matter with the same number of degrees of freedom as the popular dust fluid. In contrast to the dust model it does not suffer from singularities and thus allows the analytical and numerical study of fully nonlinear effects like halo formation.

In Chapter 6 we study the clustering of halos as observed in redshift space, by developing an improved model for the halo dynamics based on a coarse grained dust model and by extending the so called Gaussian streaming model to general phase space distribution functions. We compare our results to a N-body simulation halo catalog and find that the coarse grained dust model significantly improves the accuracy of theoretical redshift space correlation functions.

This Ph.D. Thesis has as general subject the study of extrasolar planets using the radial velocity technique from both, instrumental and observative, points of view. Two main parts compose the work: the upgrade of the spectrograph FOCES, a high resolution spectrograph that will be installed next year at the Wendelstein Observatory, and the

search of giant planets around stars in the open cluster Messier-67 (M67).