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

Der Ursprung und die Entwicklung unseres Universums zeigt sich gleichermaßen in der Raumzeit selbst wie in den Strukturen, die in ihr entstehen. Galaxienhaufen sind das Ergebnis hierarchischer Strukturbildung. Sie sind die massivsten Objekte, die sich im heutigen Universum bilden konnten. Aufgrund dieser Eigenschaft ist ihre Anzahl und Struktur hochgradig abhängig von der Zusammensetzung und Evolution des Universums. Die Messung der Anzahldichte von Galaxienhaufen beruht auf Katalogen, die nach einer beobachtbaren Größe ausgewählt werden. Die Anwendung einer Massen-Observablen-Relation (MOR) erlaubt es, die beobachtete Anzahl als Funktion der Observablen und der Rotverschiebung mit Vorhersagen zu vergleichen und so kosmologische Parameter zu bestimmen. Man kann jedoch zu Recht behaupten, dass diese Messungen noch nicht präzise im Prozentbereich sind. Hauptgrund hierfür ist das unvollständige Verständnis der MOR. Ihre Normalisierung, die Skalierung der Observablen mit Masse und Rotverschiebung und die Größe und Korrelation von intrinsischen Streuungen muss bekannt sein, um Anzahldichten korrekt interpretieren zu können. Die Massenbestimmung von Galaxienhaufen durch die differenzielle Lichtablenkung in ihrem Gravitationsfeld, i.e. durch den so genannten schwachen Gravitationslinseneffekt (weak lensing), kann erheblich hierzu beitragen. In dieser Arbeit werden neue Methoden und Ergebnisse solcher Untersuchungen vorgestellt. Zu ersteren gehören, als Teil der Datenaufbereitung, (i) die Korrektur von CCD-Bildern für nichtlineare Effekte durch die elektrischen Felder der angesammelten Ladungen (Kapitel 2) und (ii) eine Methode zur Maskierung von Artefakten in überlappenden Aufnahmen eines Himmelsbereichs durch Vergleich mit dem Median-Bild (Kapitel 3). Schließlich ist (iii) eine Methode zur Selektion von Hintergrundgalaxien, basierend auf deren Farbe und scheinbarer Magnitude, die eine neue Korrektur für die Kontamination durch Mitglieder des Galaxienhaufens einschließt, im Abschnitt 5.3.1 beschrieben. Die wissenschaftlichen Hauptergebnisse sind die folgenden. (i) Für den Hubble Frontier Field-Haufen RXC J2248.7-4431 bestimmen wir Masse und Konzentration mittels weak lensing und bestätigen die durch Röntgen- und Sunyaev-Zel'dovich-Beobachtungen (SZ) vorhergesagte große Masse. Die Untersuchung von Haufengalaxien zeigt die Abhängigkeit von Morphologie und Leuchtkraft sowie Umgebung (Kapitel 4). (ii) Unsere Massenbestimmung für 12 Galaxienhaufen ist konsistent mit Röntgenmassen, die unter Annahme hydrostatischen Gleichgewichts des heißen Gases gemacht wurden. Wir bestätigen die MOR, die für die Signifikanz der Detektion mit dem South Pole Telescope bestimmt wurde. Wir finden jedoch Diskrepanzen zur Planck-SZ MOR. Unsere Vermutung ist, dass diese mit einer flacheren Steigung der MOR oder einem größen-, rotverschiebungs- oder rauschabhängigen Problem in der Signalextraktion zusammenhängt (Kapitel 5). (iii) Schließlich zeigen wir, durch die Verbindung von Simulationen und theoretischer Modellierung, dass die Variation von Dichteprofilen bei fester Masse signifikant zur Ungenauigkeit von Massenbestimmungen von Galaxienhaufen mittels weak lensing beiträgt. Ein Modell für diese Variationen, wie das hier entwickelte, ist daher wichtig für die genaue Bestimmung der MOR, wie sie für kommende Untersuchungen nötig sein wird (Kapitel 6).

A novel and interesting approach to detect microfluidic dynamics at a very small scale is given by optically trapped particles that are used as optofluidic sensors for microfluidic flows. These flows are generated by artificial as well as living microobjects, which possess their own dynamics at the nanoscale. Optical forces acting on a small particle in a laser beam can evoke a three dimensional trapping of the particle. This phenomenon is called optical tweezing and is a consequence of the momentum transfer from incident photons to the confined object. An optically confined particle shows Brownian motion in an optical tweezer, but is prevented from long term diffusion. A careful analysis of the motion of the confined particle allows a precise detection of microfluidic flows generated by an artificial or living source in the close vicinity of the particle. Thus, the particle can be used as a sensitive optofluidic detector. For this aim, several optical tweezers at different wavelengths are integrated into a dark-field microscope, combined with a high speed camera, to achieve a precise detection of the motion of the center-of-mass of the trapped particle. With this unique experimental system, a gold sphere is used as an optofluidic nanosensor to analyze for the first time the microfluidic oscillations generated by a biological sample. Here, a freely swimming larva of Copepods serves as the living source of flow. However, even if the trapping laser wavelength is off-resonant to the plasmon resonance of the flow detector, a finite heating of the gold nanoparticle occurs which reduces the sensitivity of detection. To increase the sensitivity of the optofluidic detection, a non-absorbing, dielectric microparticle is introduced as the optofluidic sensor for the microflows. It enables a quantitative, two dimensional mapping of the vectorial velocity field around a microscale oscillator in an aqueous environment. This paves the way for an alternative and sensitive detection approach for the microfluidic dynamics of artificial and living objects at a very small scale. To this aim and as a first step, an optically trapped microhelix serves as a model system for the mechanical and dynamical properties of a living microorganism. An optical tweezer is implemented for initiating a light-driven rotation of the chiral microobject in an aqueous environment and the optofluidic detection of its flow field is established. The method is then adopted for the measurement of the microfluidic flow generated by a biological system with similar dynamics, in this case a bacterium. The experimental approach is used to quantify the time-dependent changes of the flow generated by the flagella bundle rotation at a single cell level. This is achieved by observing the hydrodynamic interaction between a dielectric particle and a bacterium that are both trapped next to each other in a dual beam optical tweezer. This novel experimental technique allows the extraction of quantitative information on bacterial motility without the necessity of observing the bacterium directly. These findings can be of great relevance for an understanding of the response of different strains of bacteria to environmental changes and to discriminate between different states of bacterial activity.

The Plasma Facing Components (PFC) will play a crucial role in future deuterium-tritium magnetically confined fusion power plants, since they will be subject to high energy and particle loads, but at the same time have to ensure long lifetimes and a low tritium retention. These requirements will most probably necessitate the use of high-Z materials such as tungsten for the wall materials, since their erosion properties are very benign and, unlike carbon, capture only little tritium. The drawback with high-Z materials is, that they emit strong line radiation in the core plasma, which acts as a powerful energy loss mechanism. Thus, the concentration of these high-Z materials has to be controlled and kept at low levels in order to achieve a burning plasma. Understanding the transport processes in the plasma edge is essential for applying the proper impurity control mechanisms. This control can be exerted either by enhancing the outflux, e.g. by Edge Localized Modes (ELM), since they are known to expell impurities from the main plasma, or by reducing the influx, e.g. minimizing the tungsten erosion or increasing the shielding effect of the Scrape Off Layer (SOL). ASDEX Upgrade (AUG) has been successfully operating with a full tungsten wall for several years now and offers the possibility to investigate these edge transport processes for tungsten. This study focused on the disentanglement of the frequency of type-I ELMs and the main chamber gas injection rate, two parameters which are usually linked in H-mode discharges. Such a separation allowed for the first time the direct assessment of the impact of each parameter on the tungsten concentration. The control of the ELM frequency was performed by adjusting the shape of the plasma, i.e. the upper triangularity. The radial tungsten transport was investigated by implementing a modulated tungsten source. To create this modulated source, the linear dependence of the tungsten erosion rate at the Ion Cyclotron Resonance Heating (ICRH) limiters on the injected ICRH power was used. The phase and amplitude of the inwardly propagating tungsten signal was then observed at the erosion site and at three radial positions in the main plasma, from which two were identified in the course of this work by a thorough investigation of the tungsten radiation features in the Vacuum Ultra-Violet (VUV) spectral range . The newly found observation sites are located right in the steep gradient region, close to the Edge Transport Barrier (ETB) and slightly further inside at the pedestal top of AUG H-mode discharges. Futhermore, the parallel flows in the SOL have been monitored by spectroscopical means and Langmuir probes. The experimental results were quite unexpected, since the ELM frequency had no influence on the tungsten concentration, and the sole actuator on this quantity was the gas injection rate. The evaluation of the modulated tungsten signal revealed that neither gas puffing nor plasma shape had an measureable influence on the radial tungsten transport processes. In addition, the tungsten erosion sources were only partially responsible for the observed tungsten behavior. These observations inspired a simple model, which balanced the tungsten outflux with the tungsten influx. In this model the impurity exauhst by ELMs is not diffusive, but turbulent and linked to the ELM size. The model predicted a linear dependence between the tungsten concentration and the parallel velocity in the SOL. This linear dependence was confirmed by the spectroscopical evaluation of the SOL parallel flows.

This thesis has focused on observational studies of galaxy evolution. We combine multiwavelength data to derive various physical properties of nearby galaxies. In particular, we study the recent star formation histories (SFHs) of galaxies from their optical spectra, and the relations between molecular gas and star formation of galaxies from their radio, ultraviolet, and infrared observations. First, we constrain the radial dependence of the recent SFHs of about 200 local galaxies with the long-slit spectroscopy data by fitting stellar population models to the combination of specific star formation rate (sSFR), 4000 Angstrom break strength and Balmer absorption lines. The late-type and early-type galaxies show distinct behaviors in their recent star formation histories. In late-type systems, bursts occur both in the inner and in the outer regions of the galaxy. The fraction of stars formed in a single burst episode is typically around 15% of the total stellar mass in the inner regions of the galaxy and around 5% of the mass in the outer regions. On the other hand, bursts occur predominantly in the outer disk in massive and bulge-dominated galaxies, and the fraction of stars formed in a single episode is only 2 - 3% of the underlying stellar mass. One of the most fundamental questions in modern astrophysics is how galaxies convert their gas into stars, and how this process may change with the galaxy internal properties and/or across cosmic time. We study the variations in molecular gas depletion time (tdep), defined as the molecular gas mass divided by the star formation rate (SFR), and which tells us how fast the gas will be consumed under the current SFR. We establish that the main parameter dependence of tdep is upon sSFR on both local and global scales. The strong correlation between tdep and sSFR extends continuously over a factor of 10 in tdep and from log sSFR = -11.5 to -9, i.e., from nearly quiescent patches of the disc to disc regions with very strong star formation. This leads to the conclusion that the local molecular gas depletion time in galactic disks is dependent on the local fraction of young-to-old stars and that galaxies with high current-to-past-averaged star formation activity, will drain their molecular gas reservoir sooner. We further study the impact of galaxy internal structures such as the bulge, arm, bar and ring on the variation of tdep on kiloparsec and global scales. The displacements in the main tdep-sSFR plane for different structures is linked to the variations in stellar, rather than gas surface densities: regions with high stellar surface densities such as the central bulges of galaxies have a reduced tdep at a given sSFR, while regions with low stellar surface densities such as the disk of galaxies have a longer tdep at a given sSFR. We provide our best current predictor for tdep, both globally and for 1kpc grids.

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 tt̅WWbs̅ (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 ts+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 sehr robuste Schlüsse über den Anteil der verdeckten AGN (N_H > 10^22 cm −2 ), die 77 +4 −5 % der Population ausmachen sowie den Anteil der Compton-dicken AGN (38 +8 −7 %), die sich hinter enormen Säulendichten (N_H > 10^24 cm −2 ) verbergen. Insbesondere dass der letztere Anteil bestimmt werden konnte, lässt endlich Schlüsse darauf zu, wieviel AGN “verdeckt” wachsen. Außerdem suggeriert es, dass der Torus einen großen Teil des AGN verdeckt. Basierend auf der Leuchtkraft der gesamten AGN Population wurde die Masse, die über den Lauf der Zeit in schwarzen Löchern gesperrt wurde, geschätzt, und die Massendichte der supermassereichen schwarzen Löcher im heutigen Universum vorhergesagt. Die Rekonstruktion bringt außerdem zu Tage, dass der Anteil der verdeckten AGN (insbesondere der Compton-dünnen AGN) eine negative Leuchtkraftabhängigkeit aufweist, und dass sich diese Abhängigkeit über die Geschichte des Universums entwickelt hat. Dieses Resultat wird in dieser Arbeit im Zusammenhang mit bestehenden Modellen interpretiert und ist möglicherweise ein Nebeneffekt eines nicht-hierarchischen Wachstums von AGN.

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.

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 $

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-dimensional filling. It will be shown that the kinetic process of equilibration through one-dimensional reversible adsorption is qualitatively different, and much faster, when one allows for soft-interaction of neighboring particles. It has long been known that ‘hard rods’ adsorbing randomly in 1 dimension undergo a jamming phenomenon which can only be resolved into densely packed arrays through very slow collective rearrangement processes. Upon introduction of softness to the nucleosome model, however, jamming is circumvented by a new phase we term ‘cramming’; equilibration can then proceed orders of magnitude faster. This will be reviewed with specific application to the problem of nucleosome adsorption which has been of interest recently in light of new experimental work and the attached publication highlights the main findings. Finally, the dynamics of one-dimensional adsorption-desorption with soft-interacting particles are considered in a more general way. With finite neighbor interactions, a rich new set of dynamics emerges, including a curious non-monotonic density trace in time. The theoretical underpinnings of this effect will be provided in a manuscript, accepted for publication, that concludes this text.

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