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

Moderne Rotverschiebungs-Galaxiendurchmusterungen können mittels Mehrfach-Faser-Spektroskopie große Bereiche des Himmels abdecken. Dank der immer größer werdenden Datensätze hat sich die Analyse der großskaligen Galaxienverteilung im Universum zu einer unschätzbaren Wissensquelle für die Kosmologie entwickelt. Zusammen mit den Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (MWH) und Entfernungsbestimmungen anhand von großen Typ-Ia-Supernova-Datensätzen (SN) bilden die Galaxiendurchmusterungen ausschlaggebende Indikatoren für die Korrektheit der Paradigmen des kosmologischen Weltbilds, des ΛCDM-Modells. Die Auswertung der Galaxienverteilung erlaubt mit Hilfe des Standardlineals, das durch die Baryonisch-akustischen Oszillationen gegeben ist, Entfernungsmessungen von ungesehener Präzision. Dies gewährt Einblick in die zugrundeliegende physikalische Natur der Dunklen Energie (DE), welche für die Beschleunigung der Ausdehung unseres Universums verantwortlich gemacht wird, indem die zeitliche Entwicklung der DE-Zustandsgleichung einge-

schränkt werden kann. Zudem kann aus dem Signal der Verzerrungen im Rotverschiebungsraum die Wachstumsrate von kosmologischer Struktur bestimmt werden. Dies stellt einen Test der Relativitätstheorie dar, weil mögliche erweiterte Gravitationstheorien abweichende Wachstumsraten vorhersagen können.

Die abgeschlossenen Rotverschiebungsmessungen des ‘Baryon Acoustic Oscillation Survey’-Programms (kurz BOSS) brachten einen Galaxienkatalog hervor, der ein bisher unerreichtes Volumen abdeckt. In dieser Dissertation wird die kosmologische Information, die im räumlichen Leistungsdichtespektrum (LDS) der Rotverschiebungsraum-Galaxienverteilung des BOSS-Katalogs enthalten ist, genutzt, um den Parameterraum des ΛCDM-Modells und der wichtigsten möglichen Erweiterungen einzuschränken. Vorherige Analysen des anisotropen Galaxien-LDS waren auf die Messung der Multipolzerlegung beschränkt. Für die hier präsentierte Analyse wurde das Konzept der sogenannten ‘Clustering Wedges’ auf den Fourierraum übertragen, um einen komplementären Ansatz zur Vermessung des anisotropen LDS zu verfolgen. Dazu wird der varianzoptimierte Schätzer für LDS-Wedges definiert und an die Galaxiengewichtung, die unvermeidbare Beobachtungsfehler im BOSS-Katalog behebt, angepasst. Zudem wird auch der Formalismus zur Beschreibung der Fensterfunktion auf die Wedges erweitert.

Das verwendete Modell für das anistrope Galaxien-LDS ist auf neuartigen Ansätzen zur Modellierung der nichtlinearen Gravitationsdynamik und der Verzerrungen im Rotverschiebungsraum aufgebaut, welche die Genauigkeit der Modellvorhersagen speziell im Übergang in den nichtlinearen Bereich signifikant verbessern. Daher kann das LDS bis zu kleineren Skalen als in vorherigen Analysen ausgewertet werden, wodurch engere Einschränkungen des kosmologischen Parameterraums erreicht werden. Die Modellierung wurde mit Hilfe von synthetischen Katalogen, die auf großvolumigen Mehrkörpersimulationen basieren, verifiziert. Dazu ist eine theoretische Vorhersage der Kovarianzmatrix der anisotropischen Vermessung der Galaxienverteilung nötig, wofür ein Gaußsches Vorhersagemodell entwickelt wurde. Dieses ist neben den Wedges auch für die komplementäre Multipolzerlegung sowohl des LDS als auch dessen Fouriertransformierten, der Zwei-Punkt-Korrelationsfunktion, anwendbar.

Die LDS-Analyse anhand von Clustering Wedges, wie in dieser Arbeit präsentiert, ist Teil der kombinierten Analyse des finalen Galaxienkatalogs im Rahmen der BOSS-Kollaboration. Unter Verwendung von zwei sich nicht überschneidenden Rotverschiebungsbereichen wird die Winkeldurchmesserentfernung zu D_M(z_eff = 0.38) (rfid_d / r_d) = 1525 +-24 h^-1 Mpc und D_M(z_eff = 0.61) (rfid_d / r_d) = 2281 +42 -43 h^-1 Mpc bestimmt. Weiterhin wird der Hubbleparameter zu H(z_eff = 0.38) (r_d / rfid_d) = 81.2 +2.2 −2.3 km s^-1 Mpc^-1 und H(z_eff = 0.61) (r_d / rfid_d) = 94.9 +-2.5 km s^-1 Mpc^-1 vermessen (alle hier angegebenen Bereic

Sogenannte wechselwirkungsfreie Messungen sind ein aus der Quantenmechanik bekanntes Interferenzphänomen, mit dessen Hilfe die Anwesenheit eines Objekts detektiert werden kann, ohne das Objekt in irgendeiner Weise zu stören. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit wechselwirkungsfreien Messungen mit Elektronen. Integriert in ein Mikroskop könnte diese Technik es ermöglichen, die bei Elektronenmikropskopie auftretenden Strahlenschäden erheblich zu reduzieren.

Es werden verschiedene Ansätze zur Realisierung von wechselwirkungsfreien Messungen mit Elektronen und die dabei auftretenden Schwierigkeiten besprochen. Hauptthema hierbei ist der benötigte Elektronen-Strahlteiler. Wir stellen einen möglichen Ansatz vor, der auf der Kontrolle und dem Einschluss eines Elektronenstrahls durch Mikrowellenfelder beruht. Mit diesem Strahlteiler ist es gelungen, einen langsamen Elektronenstrahl mit kinetischer Energie von ungefähr 1 eV in zwei Strahlen zu spalten. Wir diskutieren in einem vereinfachten quantenmechanischen Modell, welche Eigenschaften ein solcher Strahlteiler aufweisen muss, um Elektronenwellen ohne Störung zu teilen und wechselwirkungsfreie Messungen zu ermöglichen. Außerdem beschäftigen wir uns mit der Anwendung von interaktionsfreien Messungen in der Bildgebung, insbesondere mit der Frage, inwiefern sie die Messung und Unterscheidung von Graustufen erlauben. Es stellt sich heraus, dass die Messung von Graustufen im typischen Interferenzaufbau einer wechselwirkungsfreien Messung zwar möglich ist, aber der dabei entstehende Schaden am Messobjekt nur in speziellen Fällen geringer ist als in einer herkömmlichen Transmissionsmessung. Wir untersuchen auch den Einfluss von Phasenverschiebungen. Bei Messobjekten, die Graustufen aufweisen und Phasenverschiebungen verursachen, können wechselwirkungsfreie Messungen für Objekte mit hoher Transparenz weniger Schaden verursachen als konventionelle Transmissionsmessungen und Messungen mit einem Mach-Zehnder-Interferometer.

Ein weiteres Thema dieser Arbeit ist die optische Feldverstärkung an Nanospitzen. Wir untersuchen in numerischen Simulationen über einen großen Parameterbereich, wie die Höhe der Feldverstärkung von der Geometrie und dem Material der Spitze abhängt. Dabei stellen wir fest, dass neben dem Krümmungsradius der Spitze auch der Öffnungswinkel einen überraschend großen Einfluss auf die Feldverstärkung hat, welchen wir durch ein vereinfachtes Modell qualitativ erklären können. Anwendung findet die optische Feldverstärkung in der Photoemission von Elektronen aus scharfen Metallspitzen. Hierzu zeigen wir Experimente in verschiedenen Regimes der Photoemission: einerseits Multiphotonenemission mit einem Erbium-Faserlaser und andererseits Photoemission im Starkfeldregime mit einem Titan-Saphir-Oszillator. Letztere Messungen erlauben es, mit Hilfe einer neuen, auf Elektronen-Rückstreuung beruhenden Methode die optische Feldverstärkung in unmittelbarer Nähe der Spitzenoberfläche zu ermitteln. Die so erhaltenen Ergebnisse stimmen gut mit den Simulationen überein.

The conditions under which stars are formed and the reasons for triggering and quenching of starburst events in high-z galaxies, are still not well understood. Studying the interstellar medium (ISM) and the morphology of high-z galaxies are therefore key points in order to understand galaxy evolution. The cosmic star formation rate density peaks between 1>1, and low to moderate [CII] optical depth tau(CII)<1.

Combining millimetre/sub-millimetre and optical data cubes for the high-z radio galaxy (HzRG) MRC0943-242, has revealed a much more complicated morphology than seen in the individual data sets. The millimetre/sub-millimetre observations data have allowed us to spatially separate of the AGN and starburst dominated components, which ~65 kpc apart. The optical data reveal structures of emitting and absorbing gas at multiple wavelengths.

A deep high resolution millimetre/sub-millimetre study of the HzRG MRC1138-262, shows emission from water (\water) and an unusually large amount of neutral atomic carbon ([CI]) relative to highly excited CO compared to lensed DSFGs. The detection of water (H2O) emission, which is not associated with the 246GHz continuum emission, suggests excitation by shocks.The uncommon line ratio between [CI]2-1 and CO(7-6) might be due special conditions of the ISM in MRC1138-262 dominated by cosmic rays or differential lensing in other DSFGs thereby not representing the intrinsic ratio.

These three studies of the physical conditions of the ISM and morphology of high-z galaxies at z>2, pave the road for future investigations of the star-forming ISM in high-z galaxies, by illustrating the importance of multi-wavelength, fine structure- and molecular line studies.

Mastering the generation, propagation and detection of electro-magnetic waves has enabled

a technological breakthrough that has changed our entire society. World-wide communication through the telephone and the internet has become an integral part of our daily-life,

which is expected to grow even further with the emergence of the internet of things. While

secure communication was of concern mostly for governmental and financial institutions,

digital security has now caught the attention of the general public. The weaknesses of cur-

rent encryption protocols, such as the existence of back-doors or the predicted breakdown

of popular algorithms such as RSA, reveal the need for alternative encryption schemes

ensuring unconditional security on all types of devices.

Quantum Key Distribution (QKD) has emerged as a powerful option to ensure a private

communication between two users. Based on the laws of quantum mechanics, this class of

protocols offers the possibility to detect the presence of a third party trying to intercept the

key during its distribution, and even to quantify the amount of leaked information. While

most research projects focus on long distance applications, little attention has been devoted

to short distance schemes such as wireless payment, network access and authentication,

which could highly benefit from QKD-enhanced security.

This thesis focuses on the development of a miniature QKD sender add-on that could

be embedded either in mobile devices or in existing optical communication platforms,

thus allowing for a secure key exchange with a shared dedicated receiver over a free-

space link. The proposed optics architecture (35 × 20 × 8 mm 3 ) is optimised for BB84-like

protocols and uses an array of four Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers with highly

similar properties to generate 40 ps long near-infrared faint coherent pulses at 100 MHz

repetition rate. Under strong modulation, the polarisation of the pulses is not well defined

and enables an external control of each diode’s emission by a wire-grid polariser. The

four beams are spatially overlapped in a polarisation-insensitive femtosecond laser written

waveguide array, and combined with a red beacon laser using an external beamsplitter to

ensure a stable, synchronised optical link with the receiver.

The complete module is compatible with current smartphone technology, allowing to

run the classical post-processing over WLAN in the future. First tests with a free-space

receiver indicate an average error ratio of 3.3 % and an asymptotic secure key rate of

54 kHz under static alignment. For the first time, a secure key exchange between a mobile

platform held by a user and a receiver equipped with a dynamic alignment system could

be demonstrated with an error ratio of 4.1 % and a secure key rate of 31 Hz. The further

optimisation of the experimental parameters and the implementation of a decoy protocol

will enhance the key generation rate as well as the general security of the system. The

results of this thesis pave the way towards unprecedented security in wireless optical

networks, as examplified for the communication between a mobile device and a dedicated

receiver.

Die Masse des Top Quarks ist ein fundamentaler Parameter des Standardmodells und ihre präzise Bestimmung ist von großer Bedeutung für die Teilchenphysik. In dieser Dissertation werden Messungen der Top Quark Masse im dileptonischen Zerfallskanal von Top Quark Paaren präsentiert und experimentelle und theoretische Aspekte der Präzisionsmessung untersucht.

Neben technischen Maßnahmen zur Gewährleistung optimaler Nachweiskapazität für zukünftige Datennahme werden Messungen der Top Quark Masse mit den Daten der Jahre 2011 und 2012 des ATLAS Detektors durchgeführt, basierend auf Proton-Proton Kollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von √s = 7 und 8 TeV. Verschiedene Techniken zur Reduzierung der statistischen und wichtigsten systematischen Unsicherheiten werden angewandt, was zur bisher genauesten Einzelmessung der Top Quark Masse im dileptonischen Top Quark Paar Zerfallskanal weltweit führt.

Durch eine Kombination mit ATLAS Messungen unter Berücksichtigung der Korrelationen wird die Präzision weiter erhöht. Die in einer Blindstudie ermittelte Masse des Top Quarks ist mtop = 172.40 ± 0.31 (stat) ± 0.62 (syst) GeV/c2 = 172.40 ± 0.70 GeV/c2, wobei die Unsicherheit von der begrenzten Auflösung der Jetenergiemessungen dominiert wird.

Außerdem werden mit einer Entfaltungsmethode die Daten von Detektoreffekten bereinigt und die ersten Schritte zu einer Messung der Top Quark Masse auf dem Niveau stabiler Teilchen durchgeführt. Anschließend werden die Auswirkungen von vollen QCD Rechnungen in zweiter Ordnung Störungstheorie auf Top Quark Massenmessungen untersucht.

This thesis focuses on the development and application of Bayesian inference techniques for early-Universe signals and on the advancement of mathematical tools for information retrieval.

A crucial quantity required to gain information from the early Universe is the primordial scalar potential and its statistics. We reconstruct this scalar potential from cosmic microwave background data. Technically, the inference is done by splitting the large inverse problem of such a reconstruction into many, each of them solved by an optimal linear filter.

Once the primordial scalar potential and its correlation structure have been obtained the underlying physics can be directly inferred from it. Small deviations of the scalar potential from Gaussianity, for instance, can be used to study parameters of inflationary models. A method to infer such parameters from non-Gaussianity is presented. To avoid expensive numerical techniques

the method is kept analytical as far as possible. This is achieved by introducing an approximation of the desired posterior probability including a Taylor expansion of a matrix determinant.

The calculation of a determinant is also essential in many other Bayesian approaches, both apart from and within cosmology. In cases where a Taylor approximation fails, its evaluation is usually challenging. The evaluation is in particular difficult, when dealing with big data, where matrices are to huge to be accessible directly, but need to be represented indirectly by a computer routine implementing the action of the matrix. To solve this problem, we develop a method to calculate the determinant of a matrix by using well-known sampling techniques and an integral representation of the log-determinant.

The prerequisite for the presented methods as well as for every data analysis of scientific experiments is a proper calibration of the measurement device. Therefore we advance the theory of self-calibration at the beginning of the

thesis to infer signal and calibration simultaneously from data. This is achieved by successively absorbing more and more portions of calibration uncertainty into the signal inference equations. The result, the Calibration-Uncertainty

Renormalized Estimator, follows from the solution of a coupled differential equation.