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

Diese Arbeit beschreibt die erste direkte Messung des CKM-Matrixelements |V_ts|. Sie basiert auf Daten, die im Jahr 2012 mit dem ATLAS Detektor bei √s = 8 TeV pp-Kollisionen und einer integrierten Luminosität von 20.3 fb⁻¹ aufgezeichnet wurden. Insgesamt sind 112171 mögliche tt̅-Ereignisse im Lepton+Jets-Kanal mit einer Reinheit von 90.0 % rekonstruierbar, die für die Hauptanalyse zur Verfügung stehen. Laut Vorhersage zerfallen hiervon 183 Ereignisse über tt̅→WWbs̅ (inkl. Ladungskonjugation) und können für die Bestimmung des Betragsquadrats |V_ts|² verwendet werden. Für eine Identifikation dieser seltenen Zerfälle werden verschiedenste Observablen untersucht, wie z.B. die Eigenschaften von Jets und Tracks sowie von b-Quark Identifikationsmethoden. Darüber hinaus werden Hadronen von s-Quarks betrachtet, die K0s Teilchen, die über einen kinematischen Fit rekonstruiert werden. Die Observablen mit den besten Eigenschaften werden anschließend in einer multivariaten Analyse ("Boosted decision trees") zu einer einzigen zusammengefasst. Die dazugehörigen Monte-Carlo-Simulationen werden dann als Template für eine Beschreibung der Daten verwendet, was als Ergebnis zu einem Signifikanz-Wert von 0.7σ für t→s+W Zerfälle führt. Insgesamt ergibt sich ein oberes Limit von |V_ts|² < 1.74 %.

Dieses wurde bezüglich eines Vertrauensbereiches von 95 % bestimmt, unter Berücksichtigung sämtlicher systematischen und statischen Unsicherheiten. Diese Arbeit, basierend auf einer direkten Messung des CKM-Matrixelements |V_ts|², führt somit zum bisher besten direkten Limit für |V_ts|².

Aktive Galaxienkerne (AGN) werden durch das Wachstum super-schwere schwarze Löcher, die im Zentrum jeder massiven Galaxie sitzen, betrieben. Da enge Korrelationen ihrer Massen zu Eigenschaften der elliptischen Galaxienkomponente beobachtet werden, und durch ihre extreme Leuchtkraft ist es naheliegend, dass AGN einen wichtigen Baustein von Galaxien bilden. Der erste Schritt, AGN zu verstehen ist es, ihre Häufigkeit zu ermitteln, sowie die Leuchtkraft der Population. Dieses Unterfangen wird dadurch erschwert, dass die meisten AGN von Gas und Staub umgeben sind. Selbst im energiereichen Röntgenbereich, der in dieser Arbeit verwendet wird, wird die intrinsische Strahlung durch Absorption um mehrere Größenordnung verringert.

Die vorliegenden Doktorarbeit untersucht zuerst die Eigenschaften dieser Wolken, im speziellen ihre Geometrie, Säulendichteverteilung und ihr Verhältnis zur Leuchtkraft des AGN. Dazu werden ∼ 300 AGN von der längst-beobachteten Röntgenregion, der Chandra Deep Field South Kampagne verwendet. Eine neue Bayesische Methode zur Spektralanalyse wurde entwickelt, um verschiedene physikalisch motivierte Modelle für den Aufbau der Wolken zu vergleichen. Das Röntgenspektrum reagiert, hauptsächlich dank Compton-Streuung, auf die Gesamtbedeckung der Quelle durch das Gas. Eine detaillierte Analyse zeigt, dass die Wolken mit einer Torus (“Donut”) Form konsistent sind, und sowohl vollständige Bedeckung als auch eine Scheiben-artige Konfiguration ausgeschlossen werden können. Außerdem ist eine weiteren Komponente höherer Dichte notwendig um zusätzlich beobachtete Compton-Reflektion zu erklären. Dies deutet auf eine strukturierte Formation

hin, wie etwa ein Torus mit einem Dichtegradienten.

Die Untersuchung der gesamten AGN-Population inklusive der AGN mit hohen Säulendichten, verlangt eine große Stichprobe mit einem genauen Verständnis für die Stichprobenverzerrung, sowie fortgeschrittene statistische Inferenzmethoden. Diese Arbeit baut auf eine ∼ 2000 AGN große Stichprobe die durch Röntgenemission detektiert wurde, bestehend aus mehrschichtigen Kampagnen aus den CDFS, AEGIS-XD, COSMOS and XMM-XXL Regionen. Die Röntgenspektren wurden im Detail mit einem physikalischen Spektralmodell analysiert, um die intrinsische Leuchtkraft, Rotverschiebung, sowie Säulendichte (N_H) für jedes Objekt zu erhalten, inklusive der Messunsicherheit. Außerdem wurden in dieser Arbeit neue statistische Methoden entwickelt um die richtige Assoziation zu optischen/infraroten Objekten zu finden, und um die Unsicherheiten durch Objekte ohne Pendant, der Rotverschiebungsmessung, sowie der Poissonfehler des Röntgenspektrums in alle Ergebnisse einzubinden.

Einen weiteren wichtigen Beitrag bildet eine Bayesische, nicht-parametrische Methode um die unverzerrte Dichte von AGN in kosmologischen Volumen als Funktion von intrinsischer Leuchtkraft, Rotverschiebung und Säulendichte (N H ) der verbergenden Wolken zu rekonstruieren. Obwohl in dieser Methode lediglich Glattheit verwendet wird, kann dieser Ansatz dieselben Formen der Leuchtkraftverteilung sowie ihre Entwicklung rekonstruieren, die sonst oft in emprischen Modellen verwendet werden, jedoch ohne diese apriori anzunehmen. Im Großen und Ganzen kann die Leuchtkraftverteilung, in allen Rotverschiebungsschalen, als Potenzgesetz mit einem Umbruchspunkt beschrieben werden.

Sowohl die Normalisation als auch der Leuchtkraftumbruchspunkt entwickeln sich über den Lauf des Universums, allerdings zeigen die Daten keine Belege für eine Veränderung der Form der Verteilung. Dies deutet darauf hin, im Gegensatz zu Aussagen vorherigen Studien, dass der Rückkopplungsmechanismus zwischen AGN und beherbergender Galaxie immer gleich funktioniert, und sich nur die Anzahl und Größe der wachsenden Systeme verändert. Die nicht-parametrische Rekonstruktionsmethode verwendet keine Annahmen darüber wie sich z.B. die Häufigkeiten von Säulendichte des verdeckenden Gases mit Leuchtkraft oder Rotverschiebung verändert. Dies erlaubt

In this dissertation, we consider the origin of thermonuclear supernovae, known by their observational classification as type Ia (hereafter SNe Ia). In particular, we develop an entirely new means to test the ``single-degenerate'' hypothesis, in which the progenitors of these tremendous explosions are suggested to be hot and luminous accreting white dwarfs. We then strongly constrain the role of any such ``hot-mode'' SN Ia progenitor channel using both a population-based argument and an individual case study, before concluding with some more general considerations of nebulae ionized by accreting white dwarfs.

Type Ia supernovae have now been the subject of intensive study for decades, particularly in light of their role as standard(-izable) candles in measuring cosmological distances. However, there remains no consensus model for the evolutionary channel(s) by which they originate. In the so-called ``double-degenerate'' scenario, a binary pair of white dwarfs shed angular momentum through gravitational-wave radiation, until they inspiral and merge, triggering an explosion. Alternatively, in the classic picture of the single-degenerate scenario, a white dwarf accretes hydrogen-rich material from some main sequence or red giant companion, and grows through nuclear burning of this material at its surface until reaching sufficient mass to trigger an explosion. This suggests that single-degenerate progenitors should be extremely luminous sources in the EUV and soft X-ray bands during the accretion phase (lasting $\sim 10^{5}$--$10^{6}$ years). For this reason, such objects are generally associated with observed ``supersoft X-ray sources'' (SSSs). Previous efforts to detect or constrain the role of any such channel have focused on detecting these objects directly in the soft X-ray band (photon energies in the range 0.3 -- 0.7 keV), either on an individual basis or as the combined emission of a diffuse population. Such an approach has yielded important constraints, but only if white dwarfs accrete principally at very high temperatures (T $\sim$ $5\times 10^{5}$K). However, observed SSSs are understood to lie in a broad range of temperatures, with a possible range of at least $2 \times 10^{5}$--$10^{6}$K, and some theoretical models suggest even lower temperatures are possible. This necessitates the development of an alternative, complimentary test which can constrain the luminosity of accreting white dwarfs across a wider range of photospheric temperatures.

In this work, we demonstrate that if the single-degenerate model is correct, then accreting, nuclear-burning white dwarfs should provide the dominant source of ionizing radiation in passively-evolving galaxies, roughly 40\% of which are known to host extended low-ionization emission-line regions (so-called ``retired'' galaxies, i.e. emission-line galaxies without either a central AGN or significant ongoing star formation). Therefore, one can search for the presence of any high-temperature single-degenerate progenitor population in these galaxies by looking for emission lines characteristic of ionization by very high-temperature ($10^{5}$ K -- $10^{6}$ K) sources. In particular, we find that recombination lines of He II, and forbidden lines of [N I] and [O I], provide the most sensitive diagnostics in retired galaxies to assess the role of accreting white dwarfs as SN Ia progenitors in any ``{\bf hot}-mode'' (T $\gtrsim 1.2\times 10^{5}$K) accretion regime.

Following this, we limit the contribution of any high-temperature single-degenerate channel to the SN Ia rate at relatively early delay-times (1 Gyr $\leq$ t $\leq$ 4 Gyr) to $<$~5--10\% (for T$\gtrsim 1.2\times 10^{5}$K) using He II 4686\AA\ and [O I] 6300\AA\ measurements from a stacked sample (provided by Dr Jonas Johansson) of several thousand retired galaxies in the Sloan Digital Sky Survey. We also discuss how these constraints, as well as the observed soft X-ray emission of several nearby galaxies, reveal fundam

Large X-ray surveys are a powerful tool to study the large-scale structure (LSS) of the Universe. The scientific impact of LSS studies using active galactic nuclei (AGN)

in X-ray surveys can be significantly increased by conducting wider and deeper X-ray surveys and studying the surface brightness fluctuations of the unresolved cosmic X-ray background (CXB).

In the first part of this Thesis, we have investigated the prospects of using the AGN sample to be detected by the upcoming eROSITA all-sky survey (eRASS) for LSS studies. We show that eRASS will detect about 3 million AGN in the 0.5-2.0 keV band. This will result in a ~30 times larger number of sources and a ~30 times better sensitivity than its 25 year old predecessor, the ROSAT all-sky survey (RASS). We show that this unprecedented AGN sample will have a median luminosity of ~10^44 erg/s, which is typical for the entire AGN population in this energy band. It will have a median redshift of z ~ 1 and approximately 40% of the objects will be in the redshift range of z = 1-2, where the bulk of the X-ray emission of AGN is produced. About 10^4 - 10^5 AGN are predicted to be beyond redshift z = 3 and about 2 000 - 30 000 beyond z = 4, which will potentially include some of the earliest AGN in the Universe. We demonstrate that, given these unique properties, the eRASS-AGN sample will be able to significantly improve our current knowledge of the AGN spatial density as a function of redshift and luminosity over a wide range of cosmic time. Further, we show that it will enable us, for the first time, to perform detailed redshift- and luminosity-resolved studies of the clustering strength of X-ray selected AGN. All these measurements will dramatically improve our understanding of the growth of supermassive black holes over cosmic time and its implications for galaxy evolution. We demonstrate for the first time that, given the breadth and depth of eRASS, it will be possible to use AGN as a cosmological probe via baryon acoustic oscillation (BAO) measurements. We will be able to convincingly detect BAOs in the currently uncharted redshift range of z ~ 1-2, which will improve the constraints on the current cosmological model.

In the second part of this Thesis, we have conducted the most accurate measurement to date of the brightness fluctuations of the unresolved CXB in the 0.5-2.0 keV band for angular scales of < ~17'. For this we used the XBOOTES survey, the currently largest continuous survey of the X-ray telescope Chandra. We find that on small angular scales (< ~2') the observed power spectrum of the brightness fluctuations is broadly consistent with the conventional AGN clustering model, although with a 30% deviation. This deviation nevertheless presents a good opportunity to improve our understanding of clustering properties of unresolved AGN by testing more sophisticated clustering models with our measurement. For angular scales of > ~2' we measure a significant excess with up to an order of magnitude difference in comparison to the standard AGN clustering model. We demonstrate that an instrumental origin can be excluded. However, we also show that the excess can neither be explained with any known X-ray source population by looking at strength of its clustering signal and the shape of its energy spectrum. It might be caused by more than one type of source but the dominant source appears to have extragalactic origin. Finally, we make predictions on how eRASS will be able to advance the studies of the unresolved CXB.

Eukaryotic DNA must undergo several levels of organized compaction in order to be packaged within the spatial confines of the cell nucleus. The first level of this packaging involves the formation of nucleosomes by wrapping DNA around histone-octamers. The arrangement of nucleosomes along the length of the DNA has important influences on the way higher levels of packaging are organized. In addition to this structural role, the positioning of nucleo- somes along the genome –and in relation to one-another– has important implications for the regulation of genes. Tightly-packaged nucleosomes tend to occlude promoter regions from transcription machinery, while looser configurations tend to be up-regulated.

At this level, nucleosome positioning can be treated as an effective one-dimensional system. Many factors contribute to the positioning of nucleosomes along the DNA: genetic sequence, active remodellers, and competition for binding sites with other binding proteins and with one-another all play a role. How to disentangle these effects is a central question that will be explored in this work using yeast as a model organism. In the process, however, more general physical questions will arise regarding the kinetics of one-dimensional adsorption/desorption processes. The over-arching goal is to provide a bridge from biophysical, data-driven work to more pure statistical physics; thus the work is comprised mainly of 5 somewhat separate, but related projects.

This thesis will begin with an overview of background information and introductory observa- tions in Chapter 1 to provide context. Chapter 2 will then focus on equilibrium properties of nucleosome positioning. Experimental nucleosome data from a dozen different species of yeast will be used to model the pattern of nucleosome formation near a ‘barrier’ –in this case, the strongly positioned +1 nucleoseome nearest (downstream) to the transcription start site. It will be shown that accounting for ‘softness’ in nucleosomes, due to known biophysical effects, allows for a unified model of nucleosome positioning. Since nucleosomes are rela- tively structurally consistent across very different species, this represents a model that is both parsimonious and physically sound. The published work studying the nucleosome po- sitioning patterns of a dozen species of yeast is included and relies on equilibrium statistical mechanics, as well as a Monte Carlo numeric scheme to account for active processes.

While histones clearly dominate the landscape of DNA binding positions, important loci ad- mit binding by other proteins such as transcription factors which serve to regulate genetic transcription and influence nucleosomal patterning. In Chapter 3, we consider the interac- tion of small transcription factors which bind specifically to loci on the DNA and shift the positioning of the neighboring nucleosome, with a corresponding domino effect on other nu- cleosomes in the vicinity. Such shifts in nucleosome patterns can create nucleosome-mediated cooperativity between transcription factors, even when separated by intervening nucleosomes.

Next, in Chapter 4, we will consider the role of the genetic sequence in nucleosome positioning, an effect which has also been the subject of considerable research. We will refer to this as the energetic ‘landscape’ of the genome and present a new way of inferring this sequence- preference from nucleosome positioning data. We will see that the experimentally observed density patterns in yeast, together with the interaction-energy of neighboring nucleosomes that was derived in Chapter 2, can be used to quantify this sequence preference. This effort, however, is complicated by the lack of specific data characterizing the 2-body correlation between neighboring nucleosomes. For this reason, the ‘amoeba’ optimization algorithm is adapted to fit the available data, as described in Chapter 4.

In Chapter 5, the focus will shift to the dynamics of one-dimensi

Flughäfen werden durch winterliche Wetterbedingungen maßgeblich beeinflusst.

Schnee oder Eis auf Bewegungsflächen und Flugzeugen behindern, verzögern und

gefährden den alltäglichen Ablauf und erfordern eine rechtzeitige Durchführung

von Gegenmaßnahmen. Die exakte Erfassung und Vorhersage von Winterwetterverhältnissen

sind die entscheidenden Faktoren, um Pünktlichkeit, Effizienz und

Sicherheit in Winterwettersituationen am Flughafen aufrecht zu erhalten und den

ökonomischen Schaden zu minimieren.

In Zusammenarbeit mit dem Flughafen München wurde in der Abteilung Verkehrsmeteorologie

des DLR-Instituts für Physik der Atmosphäre das Winterwetter-

Nowcasting-System WHITE (Winter Hazards in Terminal Environment) entwickelt.

WHITE ist ein automatisiertes System, das mehrere Datenquellen miteinander

verbindet, um problematische Winterszenarien, wie Schnee, gefrierenden Niederschlag

oder Vereisung, zu identifizieren. Dabei wird ein Ansatz gewählt, der

die entscheidenden Parameter unterschiedlicher Szenarien anhand einer innovativen

Fuzzy-Logik verknüpft und potentiell gefährliche Regionen klassifiziert. Diese

gefährlichen Regionen werden anschließend zu Winterwetterobjekten zusammengefasst.

So können sowohl der Niederschlagstyp als auch die Intensität des Winterwetters

bestimmt werden. Da neben der Situationsanalyse in WHITE auch eine

kurzfristige Vorhersage für maximal zwei Stunden erstellt wird, kann zudem eine

Aussage über den Beginn und die Dauer problematischer Situationen getroffen

werden.

WHITE besitzt neben dem Nowcasting-System mit einem Participatory-Sensing-

Ansatz ein weiteres Hauptelement. Dieser Ansatz nutzt die Fähigkeiten der Positionsbestimmung

internetfähiger Mobilgeräte in Kombination mit der allgegenwärtigen

Bereitschaft zur regelmäßigen Nutzung dieser Geräte. Dadurch werden

Möglichkeiten eröffnet, die von der Optimierung der Leistungsfähigkeit und der

Evaluierung bis hin zum erleichterten Umgang der Nutzer mit den Ergebnissen

des Nowcasting-Systems reichen.

In dieser Arbeit werden die Grundlagen, die Datenquellen und die Entwicklung des

Nowcasting-Systems und des Participatory-Sensing-Ansatzes beschrieben. Zusätzlich

werden die Ergebnisse zweier Testkampagnen in den Wintermonaten 2012/2013

und 2013/2014 gezeigt und die Leistungsfähigkeit

Non-solar composition of the donor star in ultra-compact X-ray binaries (UCXBs) may have a pronounced effect on the fluorescent lines appearing in their spectra due to reprocessing of primary radiation by the accretion disc and the white dwarf surface. We show that the most dramatic and easily observable consequence of the anomalous C/O abundance is the significant, by more than an order of magnitude, attenuation of the Kα line of iron. It is caused by screening of the presence of iron by oxygen - in the C/O-dominated material the main interaction process for an E ~ 7 keV photon is absorption by oxygen rather than by iron, contrary to the solar composition case. Ionization of oxygen at high mass accretion rates adds a luminosity dependence to this behaviour - the iron line is significantly suppressed only at low luminosity, log (LX) < 37-37.5, and should recover its nominal strength at higher luminosity. The increase of the equivalent width of the Kα lines of carbon and oxygen, on the other hand, saturates at rather moderate values. Screening by He is less important, due to its low ionization threshold and because in the accretion disc it is mostly ionized. Consequently, in the case of the He-rich donor, the iron line strength remains close to its nominal value, determined by the iron abundance in the accretion disc. This opens the possibility of constraining the nature of donor stars in UCXBs by means of X-ray spectroscopy with moderate energy resolution.