Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 02/05 Archiv

In the state of the art the Standard Model is the best gauge theory describing interactions among elementary particles. It comprises all of the fundamental interactions in nature except gravitation. Its predictions have been experimentally tested to a high level of accuracy. However, it is not considered to be the fundamental theory of gauge interactions. It contains a lot of arbitrary parameters. It can not predict the fermion masses and fails to explain the smallness of neutrino masses which have been observed by recent experiments. It contains no gauge bosons that can mediate nucleon decays via baryon and lepton number violating process, which are needed to explain the baryon asymmetry in our universe. Furthermore, CP violation has to be introduced into the CKM and MNS matrices by hand. The shortcomings of the Standard Model can be solved in the framework of grand unified gauge theories (GUTs) which have greater degrees of freedom. GUT's which have truly one coupling constant are based on gauge groups that contain the Standard Model as a subgroup. There are a limited number of such gauge groups. SO(10) is a fully symmetric gauge group that has two outstanding features: It unifies all the known gauge interactions under a single coupling strength and classifies all the known fermions of a family under a single spinor. In this work, we will study SO(10) grand unification in its full extent by using different explicit matrix representations which exhibit the structure of SO(10) in a very transparent way. Our approach consists mainly of two stages: We will derive the explicit expressions of the mass-eigenvalues and mass-eigenstates of the physical gauge bosons from a mass squared-matrix that contains all the information about the mixing parameters among the gauge fields and the phases which are sources for CP violation. In the light of this analysis, we will derive the explicit expressions for the interaction Lagrangians of the charged currents, the neutral currents and the charged and colored currents in SO(10). We will present explicit expressions of the vector and axial-vector couplings of the two neutral currents in SO(10). We will show how the baryon, lepton and baryon minus lepton number violating processes and their explicit CP violating phases are accommodated in the SO(10) theory. The Higgs potential that we use to implement in the Higgs mechanism will be constructed in a most general fashion through a careful study of the Higgs fields of SO(10), where we give special emphasis on illustrating the explicit matrix representation of these Higgs fields. The potential part of the Higgs Lagrangian will give us the properties of the minimum of the vacuum, and the kinetic part will give us the mass-squared matrix of the gauge bosons via spontaneous symmetry breakdown. The same Higgs multiplets will be coupled to fermions through a democratic Yukawa matrix. Thereby, we will derive explicit expressions for the fermion masses of the third family including Majorana and Dirac masses for neutrinos. We will introduce a flavor-eigenbasis for neutrinos and find the mass-eigenstates and mass-eigenvalues of the neutrinos. Explicit expressions for CP violation in the neutrino sector will be obtained. In the second stage of our work, we will evaluate all the above mentioned quantities. We will compare our results with those of the Standard Model like the W and Z masses and the vector and axial-vector coupling of the NC current and the fermion masses of the third family. In addition, we will present the values of the physical quantities that are not present in the Standard Model like the masses of new gauge bosons, the vector and axial-vector couplings of a new NC current, the masses of a light left-handed and a heavier right-neutrino, the values of various mixing parameters and CP phases etc. The input values required for these evaluations will be acquired mainly from two sources: First, we will determine the vacuum expectation values and the coupling strengths of gauge interactions given by the SO(10) theory in so far as possible through studying the mass scales in SO(10) in the framework of coupling unification. Complementarily, we will determine the vacuum expectation values and their phases by adjusting them to the masses of the known gauge bosons and fermions below the Fermi scale which are accurately measured and known. We will be able to predict more than 67 parameters with an input of 7 vacuum expectation values, 5 angles, 1 gauge coupling and 1 Yukawa coupling.

The subject of this thesis is the muonic hydrogen (µp) Lamb shift experiment being performed at the Paul Scherrer Institute, Switzerland. Its goal is to measure the 2S-2P energy difference in µp atoms by laser spectroscopy and to deduce the proton root ­mean­ square (rms) charge radius with 10-3 precision, an order of magnitude better than presently known. This would make it possible to test bound-state quantum electrodynamics (QED) in hydrogen at the relative accuracy level of 10-7, and will lead to an improvement in the determination of the Rydberg constant by more than a factor of seven. Moreover it will represent a benchmark for QCD theories. The experiment is based on the measurement of the energy difference between the 2S(F=1) and 2P(F=2) levels in µp atoms to a precision of 30 ppm, using a pulsed laser tunable at wavelengths around 6 µm. Negative muons from a unique low energy muon beam are stopped at a rate of 70 s-1 in 0.6 hPa of hydrogen gas. Highly excited µp atoms are formed, and most of them promptly deexcite to the ground state within 100 ns. However, there is a roughly 1% probability that long­live µp(2S) atoms with a lifetime of 1.3 µs are formed. An incoming muon triggers a pulsed, multi­stage laser system which delivers 0.2 mJ per pulse at 6 µm with 55 s-1 repetition rate. It consists of two XeCl excimer lasers followed by dye lasers which pump an oscillator ­amplifier frequency ­controlled Ti:Sa laser. Its 6 ns long pulse at 708 nm is then frequency shifted to 6 µm via third Stokes production in a Raman cell filled with hydrogen. The laser pulse has a delay of about 1.5 µs with respect to the prompt muon cascade. If the laser is on resonance, it induces 2S-2P transitions. The subsequent deexcitation to the 1S state emits a 1.9 keV Lyman-alpha x ray which is detected by large area avalanche photo diodes. The resonance frequency, and hence the Lamb shift and the proton radius, are determined by measuring the intensity of these x rays as a function of the laser wavelength. A search for the 2S-2P resonance line was performed in November 2003 when a broad range of laser frequencies was scanned (49.7409 - 49.8757 THz), corresponding to proton radii between 0.844 and 0.905 fm. The result of the data analysis is that no significant 2S-2P resonance was observed. The negative result is with high probability due to the low statistics and not to an incorrect search region. The first part of this thesis reports on the present status of the Lamb shift theory in µp. Following, there is a detailed description of the apparatus and analysis of the data. An estimate of the present and future laser-­induced event rates are given, together with a study of the present and future background. In the Appendices are discussed: the energy levels in hydrogen, the proton radius definition, the relevance of this experiment, the 2S state population and lifetime, and the spectroscopic properties of the 2S-2P transition.

Time-resolved vibrational spectroscopy (Raman and IR) provides insight into energy relaxation processes and information about structural dynamics of molecules in solution. An extremely sensitive pump-probe laser-spectrometer has been built for time-resolved IR-spectroscopy in the coursework of this thesis. It allows one to initiate photochemical processes in the visible spectral region and to observe the changes in the mid-infrared. The achieved time resolution (delta tau_(FWHM) < 100 fs) makes it possible to follow extremely fast structural changes. With this setup dynamical processes can be resolved covering 4 orders of magnitude (from 100 fs to 4 ns). The setup is tunable in the range of 3-10 micrometer (1000-3300 cm^-1) and covers the whole relevant spectral range of vibrational structure analysis. It is known from chemical synthesis, that reaction rates can depend on the chosen solvent. This might be due to partially solvent dependent energy redistribution processes. Such processes are important for chemical reactions, e.g. in stabilizing product states. The molecule para-Nitroaniline (pNA) is especially suitable to investigate such processes. pNA returns via fast (< 400 fs) internal conversion to a hot electronic ground state after excitation by a laser pulse (lambda = 400 nm). The vibrational energy relaxation can be followed subsequently. This relaxation has been observed by the symmetrical NO_2 stretch mode. Due to anharmonic coupling this low frequency mode has been an exceptionally sensitive sensor for the energy relaxation to a solvent. The observed relaxation time constants for pNA are 3,4 ps in deuterated dimethylsulfoxide, 1,9 ps in methanol and 1,5 ps in water. Cooling behavior correlates well with macroscopic thermal conduction and heat capacity of the used solvent. In the microscopic picture we assume a connection to the forming of hydrogen bonds. As chemical reaction rates depend strongly on the internal temperature of a molecule, these results improve the understanding of solvent effects. With the same method the question of how fast structural changes can occur in a peptide of 8 amino acids has been explored by a collaboration with the group of prof. Hamm in Zurich. Due to the addition of an azobenzene switch in this peptide, which subsequently closes the cycle of the peptide chain, an ultrafast conformational change has been triggered by a light pulse. In a driven phase the peptide backbone reacts within the first 20 ps to the fast (< 2 ps) change in length of the switch. Weakly directed diffuse processes occur on a wide range of time scales, which lead to the final structure change. The results of the measurements gave new insights into the complexity of fast protein folding. A hierarchy of time scales is a typical signature, which can be observed when moving on a rough energy landscape.

Noncommutative (deformed, quantum) spaces are deformations of the usual commutative space-time. They depend on parameters, such that for certain values of parameters they become the usual space-time. The symmetry acting on them is given in terms of a deformed quantum group symmetry. In this work we discuss two special examples, the $\theta$-deformed space and the $\kappa$-deformed space. In the case of the $\theta$-deformed space we construct a deformed theory of gravity. In the first step the deformed diffeomorphism symmetry is introduced. It is given in terms of the Hopf algebra of deformed diffeomorphisms. The algebra structure is unchanged (as compared to the commutative diffeomorphism symmetry), but the comultiplication changes. In the commutative limit we obtain the Hopf algebra of undeformed diffeomorphisms. Based on this deformed symmetry a covariant tensor calculus is constructed and concepts such as metric, covariant derivative, curvature and torsion are defined. An action that is invariant under the deformed diffeomorphisms is constructed. In the zeroth order in the deformation parameter it reduces to the commutative Einstein-Hilbert action while in higher orders correction terms appear. They are given in terms of the commutative fields (metric, vierbein) and the deformation parameter enters as the coupling constant. One special example of this deformed symmetry, the $\theta$-deformed global Poincar\' e symmetry, is also discussed. In the case of the $\kappa$-deformed space our aim is the construction of noncommutative gauge theories. Starting from the algebraic definition of the $\kappa$-deformed space, derivatives and the deformed Lorentz generators are introduced. Choosing one particular set of derivatives, the $\kappa$-Poincar\' e Hopf algebra is defined. The algebraic setting is then mapped to the space of commuting coordinates. In the next step, using the enveloping algebra approach and the Seiberg-Witten map, a general nonabelian gauge theory on this deformed space is constructed. As a consequence of the deformed Leibniz rules for the derivatives used in the construction, the gauge field is derivative-valued. As in the $\theta$-deformed case, in the zeroth order of the deformation parameter the theory reduces to its commutative analog and the higher order corrections are given in terms of the usual (commutative) fields. In this way the field content of the theory is unchanged, but new interactions appear. The deformation parameter takes the role of the coupling constant. For the special case of $U(1)$ gauge theory the action for the gauge field coupled to fermionic matter is formulated and the equations of motion and the conserved current(s) are calculated. The ambiguities in the Seiberg-Witten map are discussed and partially fixed, and an effective action (up to first order in the deformation parameter) which is invariant under the usual Poincar\' e symmetry is obtained.

In this thesis we consider background geometries resulting from string theory compactifications. In particular, we investigate supersymmetric vacuum spaces of supergravity theories and topological twisted sigma models by means of classical and generalised G-structures. In the first part we compactify 11d supergravity on seven-dimensional manifolds due to phenomenological reasons. A certain amount of supersymmetry forces the internal background to admit a classical SU(3)- or G2-structure. Especially, in the case that the four-dimensional space is maximally symmetric and four form fluxes are present we calculate the relation to the intrinsic torsion. The second and main part is two-fold. Firstly, we realise that generalised geometries on six-dimensional manifolds are a natural framework to study T-duality and mirror symmetry, in particular if the B-field is non-vanishing. An explicit mirror map is given and we apply this idea to the generalised formulation of a topological twisted sigma model. Implications of mirror symmetry are studied, e.g. observables and topological A- and B-branes. Secondly, we show that seven-dimensional NS-NS backgrounds in type II supergravity theories can be described by generalised G2-geometries. A compactification on six manifolds leads to a new structure. We call this geometry a generalised SU(3)-structure. We study the relation between generalised SU(3)- and G2-structures on six- and seven-manifolds and generalise the Hitchin-flow equations. Finally, we further develop the generalised SU(3)- and G2-structures via a constrained variational principle to incorporate also the remaining physical R-R fields.

Biologische molekulare Maschinen erfüllen in der Natur zentrale Aufgaben und erstrecken sich über alle Bereiche des Lebens. Ihren Aufbau und ihre Funktionsweise im Detail zu untersuchen und zu verstehen, ist ein großes Feld der aktuellen Forschung. Inspiriert durch die biologischen molekularen Maschinen wurde in den letzten Jahren versucht, künstliche molekulare Maschinen aufzubauen. Einer dieser Ansätze verwendet ein photoaktives Polymer, das durch das Bestrahlen mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge kontrahiert oder relaxiert werden kann. Wird dieses photoaktive Polymer an ein Kraftspektroskop gekoppelt und über Totale Interne Reflexion (TIR) angeregt, so lässt sich damit eine künstliche molekulare Maschine realisieren, die aus einem einzelnen Polymer besteht. Bestandteil dieses photoaktiven Polymers sind Azobenzoleinheiten, die reversibel zwischen der cis- und der trans-Konformation geschaltet werden können. Dadurch wird das Polymer (Azobenzolpolypeptid) kontrahiert oder relaxiert und kann Arbeit an der Cantileverspitze des Kraftspektroskops verrichten. Ein Ziel dieser Arbeit war es, ein detailliertes Verständnis dieser künstlichen molekularen Maschine zu erlangen. Dazu wurde zuerst das Schalten der Azobenzoleinheiten im Polymer bei niedriger Kraft demonstriert. Anschließend wurde eine externe Kraft angelegt und beobachtet, dass sich das Schaltverhalten erst bei sehr hohen Kräften verändert. Das zweite Ziel war die Entwicklung eines theoretischen Modells, zur Beschreibung der Kraft-Abstandskurve des Azobenzolpolypeptid über den gesamten Kraftbereich. Dazu wurden ab-initio quantenmechanische Rechnungen für das Azobenzol durchgeführt und mit dem Modell der „Frei-Rotierenden-Kette“ kombiniert. Dieses Modell hat den Vorteil, dass es mit der Segmentlänge und der Anzahl der Monomere als Fittparameter auskommt. Es ist nun möglich die Kraft-Abstandskurven des Azobenzolpolypeptid direkt durch die Anzahl der Azobenzoleinheiten in der trans- und in der cis-Konformation über den ganzen Kraftbereich (0 bis 1000pN) zu beschreiben. Das Schaltverhalten des Polymers wird damit durch das Verhältnis der Anteile im cis- bzw. trans-Zustand ausgedrückt. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Untersuchung eines Rezeptor-Ligand-Systems. Am Beispiel des anti-Digoxigenin Antikörpers gegen Digoxigenin wurden Experimente über einen großen Bereich von Kraftladungsraten durchgeführt. Dadurch zeigte sich, dass die bisherige Analysemethode nur grobe Einblicke in die Energielandschaft der Rezeptor-Ligand-Wechselwirkung zulässt. Es konnte beispielsweise eine natürliche Dissoziationsrate von koff=0.015s-1 aus den kraftspektroskopischen Experimenten bestimmt werden, die mit Messungen an Fv-Fragmenten am Ensemble gut übereinstimmen (koff=0.023s-1). Aussagen bezüglich der Energielandschaft gestalteten sich schwieriger. Zuerst wurde das Maximum der Krafthistogramme als Funktion der Maxima der Ladungsratenhistogramme in einem Diagramm dargestellt. Dieses Diagramm wurde nach der Methode von Evans ausgewertet. Daraus ergab sich für den niedrigen Ladungsratenbereich die obige Dissoziationsrate von koff=0.015s-1 und eine Potentialweite von Dx=1.15nm. Für den hohen Ladungsratenbereich ergab sich eine Dissoziationsrate von koff=4.56s-1 und eine Potentialweite von Dx=0.35nm. Mit diesen Werten wurde nun versucht, die einzelnen Krafthistogramme für alle Ladungsraten zu fitten. Es hatte sich gezeigt, dass es bei niedrigen und bei hohen Ladungsraten eine Übereinstimmung zwischen dem gemessenen Krafthistogramm und der berechneten Wahrscheinlichkeitsverteilung gab. Allerdings konnte bei sehr hohen Ladungsraten und in dem Übergansbereich zwischen den beiden Bereichen keine Übereinstimmung erzielt werden. Daher sind Aussagen über die Energielandschaft nur beschränkt möglich. Um eine vollständige Auswertung der experimentellen Daten zu erreichen, werden weitere Entwicklungen bezüglich des theoretischen Modells nötig sein. Ein Ansatz besteht darin, ein mögliches Potential anzunehmen und darauf die Theorie von Kramers anwenden. Das Ergebnis wäre dann eine kraftabhängige Dissoziationskonstante koff für ein spezielles Potential. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit ein Mehrkanal-Oberflächen-Plasmonen-Resonanz (SPR)-Spektrometer aufgebaut und charakterisiert.

In dieser Arbeit wurde mit Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) und Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS) die Struktur und das Phasenverhalten supramolekularer Komplexe aus Lipiden und hydrophiler DNA in unpolarem Lösungsmittel (Alkan) sowie von Komplexen aus Tensiden und hydrophoben Dendrimeren in wäßriger Umgebung untersucht. In beiden Fällen wurden Makromoleküle mit Amphiphilen komplexiert, die eine sowohl zur Oberfläche der Makromoleküle als auch zum Lösungsmittel kompatible Grenzfläche erzeugen. Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Klein- und Weitwinkel Röntgenstreuanlage konzipiert und aufgebaut, die für Untersuchungen an weicher kondensierter Materie unter maximalen Fluß optimierte wurde. Der absolute Photonenfluß und die Auflösungsfunktion, sowie das Signal-Rausch-Verhalten und die zeitabhängige Speicherung des Bildplattensignals wurden bestimmt und mit der Theorie verglichen. Um eine DNA-basierte selbstorganisierte Strukturbildung in unpolaren Lösungsmitteln zu verstehen, wurden Grundlagenuntersuchungen an Lipid/DNA-Komplexen in Alkan durchgeführt und das Phasendiagramm des quaternären System aus DNA, Lipid, Wasser und Alkan bestimmt. Es wurden Lipidmischungen aus dem zwitterionischen DOPE und dem kationische DOTAP verwendet, und die Untersuchungen auf ein isoelektrisches Verhältnis zwischen DOTAP und DNA beschränkt. Das Phasendiagramm wurde als Funktion des Gewichtsanteil Phi des zwitterionischen Lipides DOPE an der Lipidgesamtmenge beschrieben. Bei einer ausreichenden Zugabe von Wasser und Alkan bilden diese zwei getrennte Phasen, wobei sich die Messungen auf die Alkanphase konzentrierten. Die Lipid/DNA-Komplexe wurden mit Röntgenkleinwinkelmessungen am Hamburger Synchrotronstrahlungslabor (HASYLAB) untersucht. Es konnte eine stabile Mesophase aus inversen zylinderartigen Lipid/DNA-Mizellen nachgewiesen werden, die bei steigendem DOPE Anteil Phi in eine Phase aus inversen sphärischen Lipid-Mizellen mit DNA-freiem Wasserkern übergeht. Zwischen beiden Phasen befindet sich ein Koexistenzbereich aus zylindrischen und sphärischen Mizellen, welcher sich zwischen Phi=72 % und Phi=82 % erstreckt. Die DNA befindet sich im Inneren der zylinderartigen inversen Lipidmizellen und ist entlang der Mizelle gestreckt. Sie wird von einer 1 nm dicken Wasserschicht von dem umgebenden Lipid getrennt. Die aus der Elektronendichteverteilung ermittelte Zusammensetzung der Lipidhülle ist gegenüber der zugegebenen Lipidzusammensetzung Phi zu einem höheren DOPE Gehalt verschoben. Aus der Interpartikelkorrelation kann eine starke Zunahme der Konzentration der Lipid/DNA-Mizellen mit steigendem Phi nachgewiesen werden. Interessanterweise ist die Struktur der zylinderartigen Lipid/DNA-Mizellen weitgehend unabhängig von der Sorte der verwendeten Alkane (Oktan, Dekan und Dodekan). Der Koexistenzbereich verschiebt sich bei Oktan in Vergleich zu Dekan und Dodekan zu einem höheren Wert. Außerdem können in Dekan für reines DOTAP (Phi=0 %) keine Komplexe festgestellt werden. Es wurde das Phasenverhalten der Lipid/DNA-Komplexe als Funktion der Wasserkonzentration bestimmt. Dies wurde exemplarisch bei einer Lipidzusammensetzung von Phi=76 % durchgeführt, bei der unter Wasserüberschuß annähernd die gesamte DNA in Alkan übergeht. Bei niedrigem Wassergehalt bilden sich in Alkan invertierte sphärische Lipidmizellen, die mit steigendem Wassergehalt anschwellen. Ab einem Wassergehalt von 163 % (Gewichtsprozent Wasser zu DNA) treten zylinderartige Lipid/DNA-Mizellen auf, deren Wassergehalt mit der zugegebenen Wassermenge bis zu einer Schichtdicke von 1 nm zunimmt. Im zweiten Teil der Arbeit wurden mit Hilfe der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie hydrophobe Polyphenylen-Chromophor-Dendrimere untersucht. Drei Arme des Dendrimers weisen fluoreszierende Gruppen auf, der vierte einen bioaktiven Biotinanker. Es konnte gezeigt werden, daß die Dendrimere supramolekulare Komplexe mit Tensiden formen und so in wäßrigen Medien gelöst und als multichromophorer Fluoreszenzmarker verwendet werden können. Die Komplexe zeigen bei Verwendung verschiedener Tenside unterschiedliche Strukturen. Alle weiteren Messungen wurden mit dem Tensid Tween 20 durchgeführt, das monodisperse Tensid/Dendrimer-Mizellen mit jeweils einem einzelnen Dendrimer bilden kann. Aus der Analyse der Fluoreszenzautokorrelation bei einer Dendrimerkonzentration von 50 nM erhält man zwei stark unterschiedliche Diffusionszeiten von t_D=168 µs und t_D=2470 µs, die beide über den gesamten Tensid-Konzentrationsbereich nachweisbar sind. Die schnellere Komponente aus Tensid/Dendrimer-Mizellen mit jeweils einem einzelnen Dendrimer pro Mizelle, dominiert die Autokorrelationsfunktion oberhalb einer Tensidkonzentration von 1,7e-4 M. Ihre Diffusionskonstante bleibt für alle Tensidkonzentrationen konstant und ergibt einen hydrodynamischen Radius R_H=7,1 nm. Die langsamere Komponente aus großen Aggregaten mit einer Vielzahl von Dendrimeren überwiegt unterhalb der Übergangskonzentration. Ihr hydrodynamischer Radius divergiert mit sinkender Tensidkonzentration bis hin zu einer Größe von über 20µm. Die Tensid/Dendrimer-Mizellen bleiben auch bei Verdünnung stabil. Innerhalb eines Konzentrationsbereiches der Dendrimere zwischen 10 nM und 10 M ist die gemessene Konzentration proportional zu dem Verdünnungsfaktor. Damit können die Tensid/Dendrimer-Mizellen als Fluoreszenzmarker für quantitative Fluoreszenzmessungen genutzt werden.

We take a multi-faceted approach to study the relativistic cosmic ray (CR) proton population in galaxy clusters. CR protons may be accelerated by structure formation shock waves, injected from radio galaxies into the intra-cluster medium, or result from supernova driven galactic winds. This thesis addresses the following questions: do CR protons exist in galaxy clusters? What is the dynamic and cosmological impact of CRs? How can we observe them? How can we describe CRs and their interactions? The first major part of this thesis investigates the question of the dynamic influence of CRs on the intra-cluster medium and searches for unbiased tracers of their existence using multi-frequency observational results. To this end, I develop an analytical framework to describe the hadronic interactions of CR protons with the ambient thermal plasma. In the second part, a description of CR gas for cosmological applications is presented that is especially suited for hydrodynamical simulations. During the course of this work, I focus on developing a formalism for instantaneously identifying and estimating the strength of structure formation shocks during cosmological simulations to accelerate CRs through diffusive shock acceleration. Since the energetically dominant CR population is trapped by cluster magnetic fields, it can only be observed indirectly through non-thermal radiative processes. CR protons interact hadronically with the ambient plasma and produce mainly neutral and charged pions that successively decay into gamma-rays, secondary electrons, and neutrinos. I develop an analytic formalism which describes the induced radio synchrotron, inverse Compton, and gamma-ray emission. Comparing the expected gamma-ray flux to the upper limits obtained by the gamma-ray observatory EGRET, I am able to constrain the CR proton energy density in nearby cooling core clusters to < 20% relative to the thermal energy density. In this context, I study the hypothesis that the diffuse radio synchrotron emission of galaxy clusters is produced by hadronically originating relativistic electrons and I develop a non-parametric criterion to obtain the minimum energy state for an observed radio synchrotron emission: the excellent agreement between the observed and theoretically expected radio surface brightness profile of the Perseus mini-halo and the small amount of energy density in CR protons needed to account for the observed radio emission makes this hadronic model an attractive explanation of radio mini-halos found in cooling core clusters. To explain the giant radio halo of Coma within the hadronic model of secondary electrons, the CR proton-to-thermal energy density profile has to increase radially up to moderate CR energy densities. Cosmological simulations that self-consistently follow CR acceleration at shock waves predict such an energy density profile: strong shock waves, that occur predominantly in low density regions, are able to efficiently accelerate high-energetic CRs, whereas weak central flow shocks inject only a low-energetic CR population which is strongly diminished by Coulomb interactions. This implies that the dynamic importance of the shock-injected CR energy density is largest in the low-density halo infall regions, but is less important for the weaker shocks occurring in central high-density cluster regions. As an extension of this work, I propose a new method in order to elucidate the content of the radio plasma bubbles located at cool cores of galaxy clusters. Using the Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect, the Atacama Large Millimeter Array and the Green Bank Telescope should be able to infer the dynamically dominant CR component of the plasma bubbles in suitable galaxy clusters within short observation times. Future high-sensitivity multi-frequency SZ observations will be able to infer the energy spectrum of the dynamically dominant electron population. This knowledge can yield indirect indications for an underlying composition of relativistic outflows of radio galaxies because plasma bubbles represent the relic fluid of jets. In the second major part of my thesis, I address the problem of constructing an accurate and self-consistent model for the description of CRs that aims at studying the dynamic influence of CRs on structure formation and galaxy evolution. This will not only allow the production of realistic non-thermal emission signatures of galaxies and clusters of galaxies, but also allow in-vivo studies of dynamic effects driven by relativistic particles and the star formation history. The developed model self-consistently traces relativistic protons originating from various kinds of sources, such as structure formation shock waves and supernovae driven galactic winds, and also accounts for dissipative processes in the relativistic gas component. To this end, I develop a formalism for the identification and accurate estimation of the strength of structure formation shocks during cosmological smoothed particle hydrodynamics simulations. Shocks not only play a decisive role for the thermalization of gas in virializing structures but also for the acceleration of CRs through diffusive shock acceleration. The formalism is applicable both to ordinary non-relativistic thermal gas and to plasmas composed of CRs and thermal gas. I apply these methods to studying the properties of structure formation shocks in high-resolution hydrodynamic simulations of the LambdaCDM model and find that most of the energy is dissipated in weak internal shocks which are predominantly central flow shocks or merger shock waves traversing halo centers. Collapsed cosmological structures are surrounded by external shocks with a much higher Mach number, but they play only a minor role in the energy balance of thermalization. I show that after the epoch of cosmic reionization, the Mach number distribution is significantly modified by an efficient suppression of strong external shock waves due to the associated increase of the sound speed of the diffuse gas.

Kolloidale Halbleiternanokristalle sind aufgrund ihrer vom Ultravioletten bis weit ins Infrarote durchstimmbaren Emissionswellenlänge besonders interessante Nanostrukturen für zukünftige optoelektronische Bauelemente und werden daher zurzeit intensiv erforscht. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Untersuchung und Manipulation der Lichtemission von neuartigen, stäbchenförmigen Cadmiumselenid/Cadmiumsulfid (CdSe/CdS) Nanokristallen in einem Einzelpartikelfluoreszenzaufbau. Diese Nanokristalle bestehen aus einem sphärischen CdSe-Kern, an den ein CdS-Nanostäbchen monokristallin gewachsen wird. Dadurch entstehen räumlich asymmetrische Halbleiternanostäbchen mit einem Aspektverhältnis zwischen 1,6 und 4,0. Durch die Messung der strahlenden Rate konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass das Elektron über das gesamte Nanostäbchen delokalisiert ist, wohingegen das Loch im CdSe-Kern lokalisiert ist. Daher kann man durch die Länge des Cadmiumsulfidstäbchens den Wellenfunktionsüberlapp direkt manipulieren. Die Wellenfunktionen und damit die Emissionsenergien können neben der Geometrie insbesondere auch durch externe elektrische Felder kontrolliert werden. Da die Größe dieses so genannten „Starkeffekts in quantenbeschränkten Strukturen“ mit der räumlichen Ausdehnung der Nanostruktur zunimmt, konnte in den Nanostäbchen ein, verglichen zu sphärischen Nanokristallen, deutlich erhöhter Feldeffekt beobachtet werden. Experimente an einzelnen CdSe/CdS Nanostäbchen zeigen aber nicht nur eine Verschiebung der Emissionsenergie um das 50-fache der Linienbreite, sondern zugleich eine feldinduzierte Abnahme der Emissionsintensität um eine Größenordnung. Die experimentellen Ergebnisse lassen sich hervorragend mit einem theoretischen Modell vergleichen. Dazu wurde das effektive Massenmodell um die Coulombwechselwirkung ergänzt und durch eine finite Elemente Methode für asymmetrische Geometrien erweitert. Damit ist es möglich, sowohl die strahlende Rate, die Starkverschiebung der Emissionsenergie wie auch die Intensitätsmodulation durch elektrische Felder qualitativ und quantitativ vorherzusagen und den Starkeffekt in kolloidalen Nanokristallen durch ein quantenmechanisches Modell zu beschreiben. Die Emissionscharakteristik wird nicht nur durch externe Felder, sondern auch durch Fluktuationen lokaler Felder beeinflusst, welche durch diffundierende Oberflächenladungen entstehen. Diese lokalen Feldveränderungen induzieren ebenfalls eine Starkverschiebung und führen zu einer zeitlichen Variation der Emissionsenergie. Durch die elongierte Form der Nanostäbchen ist es erstmals gelungen, bei kolloidalen Nanokristallen die Bewegung von Oberflächenladungen auf der Nanometerskala zu beobachten. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass man dabei zwischen einer zufälligen Bewegung der Oberflächenladungen um den Ladungsschwerpunkt und der Verschiebung des Ladungsträgerschwerpunkts unterscheiden kann.

This PhD thesis presents a fluorescence microscopy study about deoxyribose nucleic acid (DNA) in confined geometries. DNA serves as an established model polymer well described by polymer physics. In a first project, the dynamics of the DNA ejection through the tight viral shaft from the highly packed phage capsid was investigated. In a second project DNA was manipulated by linear substrate structures. During phage assembly the phage DNA is very tightly packaged into the phage capsid. The question arises if the internal pressure resulting from the high DNA density inside the capsid is responsible for the complete or at least the partial DNA transfer into the host during infection. This was studied for the first time on single T5 phages whose DNA release can be triggered by the receptor protein FhuA in vitro. After T5 phages had adsorbed onto a microfluidic chamber, the ejected DNA was fluorescently stained and stretched in a hydrodynamic flow. The length could thereby be measured continuously. With this setup, we succeeded for the first time in visualizing the dynamics of the DNA ejection in real time. The DNA release is not an all-or-none process but occurs in a stepwise fashion and at a rate reaching 75 000 bp/s. The pauses in between steps can last for over half an hour. The length distribution of the ejected DNA was analyzed and characteristic peaks were found at positions that coincided with the position of single-stranded interruptions (nicks) of the phage genome. DNA molecules adsorbed onto cationic fluid lipid membranes remain laterally diffusive. During this thesis rectangular grooves of a periodicity of 1000 – 1200nm and a depth of 40 – 120nm were imprinted into the thermoplastic “cyclic olefin copolymer” (COC). This substrate was coated with a lipid membrane. The influence of such a support on the conformational behavior of DNA is investigated here. The periodically structured membranes revealed the ability to stretch long DNA molecules. During a collaboration, L. Golubovic provided us with a theory explaining the observed process. The DNA stretching phenomenon can be elucidated in terms of a curvature dependent potential energy attained by the adsorbed DNA molecules. The properties of lipid membranes supported by the hydrophobic solid polymer COC are investigated. Lipid layers were prepared by vesicle fusion and solvent exchange from varying amounts of 1,2-Dioleoyl-3-Trimethylammonium-Propane (DOTAP, cationic) and 1,2-Dioleoyl-sn-Glycero-3-Phosphocholine (DOPC, neutral). The influence of the membrane charge and also of the preparation method were investigated. All lipid mixtures coated the COC surface homogeneously forming a fluid membrane as verified by quantitative fluorescence microscopy, the method of Continuous Bleaching and Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP). The average diffusion constant was found to be 0.8 µm2/s which is higher by a factor of 5 than the typical membrane diffusion constant for hydrophilic supports. The vertical electron density profile of the supported membranes was determined by synchrotron reflectivity experiments using a special microfluidic chamber adapted to reflectivity experiments. The x-ray data can not be fitted as expected with a model assuming a monolayer. They are however in agreement with a compressed and less densely packed bilayer. The head-to-head distance is 29˚A, the density of the headgroups is ρh = 0.34 e−/°A3 and of the tails ρt = 0.26 e−/°A3.

Am Max-Planck-Institut für Quantenoptik steht das 10 Hz Lasersystem ATLAS zur Verfügung, dessen Pulse bei einer Dauer von 160 fs Energien bis zu 800 mJ erreichen und auf Intensitäten bis zu 1019 W/cm2 fokussiert werden können. Bei Bestrahlung dünner Festkörper-Folien (Targets) mit solchen Intensitäten werden zuerst Elektronen auf relativistische Geschwindigkeiten   1 beschleunigt. Diese Elektronen durchdringen das Target und verlassen es rückseitig in Richtung des Laserstrahles bei ponderomotiver Beschleunigung oder entlang der Targetnormalen bei Beschleunigung durch Resonanz-Absorption. Mit konventionellen Magnetfeld-Spektrometern kann nur die Energieverteilung derartiger Elektronenströme bis in den MeV-Bereich bestimmt werden. Da die Elektronen nach dem Target im Vakuum eine Wegstrecke von einigen cm zurücklegen müssen, unterliegen diese Ströme allerdings der Alfven-Grenze IA = 17,5  kA. Ab dieser Stromstärke werden die Elektronen von ihrem eigenen Magnetfeld auf Kreisbahnen gezwungen, so daß der Teilchenfluß zusammenbricht bis der Alfven-Wert unterschritten ist. Bei Laser-Plasma-Experimenten können nun Stromstärken deutlich größer als 1 MegaAmpere auftreten, so daß man gezwungen ist, die Elektronen-Diagnostik unmittelbar mit dem Beschleunigungsbereich des Laser-Targets zu verbinden, wie dies bei der Messung von Röntgenstrahlung oder der Übergangsstrahlung möglich ist. Da der Energiebereich der Röntgendiagnostik um die 10 keV und optische Abbildungen wegen der kleinen Wellenlänge auf wenige Möglichkeiten eingeschränkt sind, können nur begrenzt Aussagen über die Auswirkungen von relativistischen Elektronen bei der Wechselwirkung mit Plasmen gemacht werden. Die Übergangsstrahlung ist sensitiv für den gesamten Energiebereich und deswegen eine Unterscheidung der Elektronen in Energie und dazugehöriger räumlicher Verteilung schwierig. Mit dem Cerenkov-Effekt steht in dieser Arbeit eine Diagnostik zur Verfügung, die auf Elektronenströme aus der Laser-Plasma-Wechselwirkung bei relativistischen Intenstitäten >1018 W/cm2 anwendbar ist. Der Brechungsindex eines optisch transparenten Cerenkov-Mediums legt zusammen mit der optischen Abbildung des Cerenkov-Lichts (im sichtbaren Spektralbereich) den Energiebereich zwischen 180 keV und 230 keV - bei Trajektorien parallel zur Targetnormalen - fest. Mit sehr dünnen Cerenkov-Medien (z.B. 50 µm Tesafilm, direkt auf die Targetrückseite aufgeklebt) und einer schnell geschalteten CCD kann eine örtliche Auflösung bis zu 4 µm genutzt werden, um die Stromprofile und die Anzahl der Elektronen zu messen. Bei Aluminium- und Polypropylen-Targets mit einer Dicke bis zu 10 µm werden filamentierte Elektronenströme großer Dichte gemessen, die von dem Laserpuls in einem ausgedehnten Vorplasma beschleunigt werden. Mit zunehmender Targetdicke verschwindet die Filamentierung und geht in zwei breite Gauß-förmige Lichtverteilungen über. Entsprechend den experimentellen Verhältnissen werden diese beiden Elektronenströme den Beschleunigungsmechanismen der Resonanz-Absorption und der ponderomotiven Kraft zugeordnet. Auch im Fall der Filamentierung wird nachgewiesen, daß die Elektronen ponderomotiv beschleunigt werden. Dazu läßt sich die Anzahl der gemessenen Elektronen (proportional zur Anzahl der Cerenkov Photonen und zur Dicke des Cerenkov Mediums) als Funktion der Laser-Intensität auswerten. Darüber hinaus zeigen Experimente unter Einsatz einer weiteren Pockelszelle nach dem Regenerativen Verstärker, mit dem sich der ASE-Vorpuls (amplified spontaneous emission) mit einer Dauer zwischen 0,5 und 5 ns kontrollieren läßt, daß das Vorplasma einen wesentlichen Einfluß auf die Elektronenbeschleunigung hat. Die ASE-Intensität und -Energie ist groß genug (1012 W/cm2), um ein Vorplasma mit unterkritischer Dichte ( ) zu zünden, in dem die Länge des Dichtegradienten von der Größenordnung (100 µm) der Ringdurchmesser der filamentierten Strukturen ist. Der Durchmesser eines einzelnen Stromfilaments von mehr als 10 µm wird vor allem durch die Hintergrundplasmadichte eingestellt, in dem durch die Ladungstrennung starke Rückströme aufgebaut werden. In dieser Situation der sich begegnenden Ströme können die Magnetfelder zumindest teilweise kompensiert werden, so daß die Vorwärtsströme die Alfven-Grenze für die Stromstärke um viele Größenordnungen übersteigen können. Bei diesen Verhältnissen bilden sich über die Weibel-Instabiltiät die filamentierten Ringstrukturen, die bereits in entsprechenden 2D- und 3D-PIC-Simulationen (Particle-In-Cell) untersucht wurden. In diesem Zusammenhang wurde auch das sog. Anomale Stoppen vorhergesagt, das zu einem Energieübertrag der Elektronen an das Hintergrundplasma führt, der deutlich größer ist als bei klassischen Coulomb-Stößen. Das Anomale Stoppen geht zurück auf die Koaleszenz ("merging") benachbarter Filamente, die jeweils ein Vielfaches der Alfven-Stromstärke transportieren können. Die dabei aufgebauten starken elektrischen und magnetischen Felder (1010 V/cm, Mega-Gauss) beziehen ihren Energieinhalt aus der kinetischen Energie der Elektronen und Übertragen diesen in einer lokalen, räumlichen Expansion an die Plasma-Ionen. Durch Messung der Elektronenzahl in Abhängigkeit von der Target-Dicke kann die deutliche Abnahme der Stromstärke nach wenigen µm Festkörperdicke nachgewiesen werden. Anhand eines einfachen Modells wird der Energieübertrag numerisch simuliert und mit klassischen Verlustmechanismen verglichen.

One of the major goals of the tokamak fusion program is the understanding and control of plasma turbulence. Turbulence causes additional radial transport of heat and particles to the tokamak vessel walls, thereby degrading the overall confinement of the plasma. Diagnostics for the study of tokamak turbulence are unfortunately scarce and limited in what they can measure. A new diagnostic technique, Doppler reflectometry, has been developed for measurements of plasma rotation profiles and turbulence properties. It is a type of microwave radar technique which uses the back-scatter of microwaves from a radial position in the plasma where the refractive index equals zero. In this thesis work, the technique is extended for turbulence correlation measurements by adding a second Doppler reflectometer channel where two microwave beams are launched into the plasma with a small frequency difference. A radial correlation Doppler reflectometer system can provide simultaneous measurements of the plasma radial electric field Er and its shear (both parameters are believed to be fundamental for suppressing turbulence) together with measurements of the properties of the plasma turbulence, such as the radial correlation length of the turbulence Lr. These measurements are explored in this thesis work for a wide range of plasma conditions. It was found that Er and its associated shear are indeed linked to plasma confinement. Their absolute values increase with confinement at the plasma edge. An increase in the absolute value of Er shear was also detected at the same plasma edge region where a decrease in radial correlation lengths of the turbulence was measured. This observation is in agreement with theoretical models which predict that an increase in the absolute shear suppresses turbulent fluctuations in the plasma, leading to a reduction in Lr. Measurements of Lr versus the perpendicular wavenumber of the turbulence were also obtained, which prompted an investigation of the correlation Doppler reflectometer response function using a 2-dimensional finite difference time domain (FDTD) code. The simulation results show that the magnitude of the measured Lr is dependent on the radial, poloidal and perpendicular wavenumbers of the turbulence.

One of the main goals of the COMPASS experiment at CERN is the measurement of the gluon contribution DeltaG to the nucleon spin. A longitudinal polarised muon beam with 160 GeV energy is used. A 6LiD target can be polarised parallel and antiparallel with respect to the muon spin. In the photon gluon fusion (pgf) a virtual photon emitted from the muon interacts with a gluon from a target nucleon via the creation of a quark-antiquark pair. A pgf event can be identified through the detection of the creation of heavy quarks, e.g. through the reconstruction of charmed D mesons. The cross section of the pgf with the creation of D mesons depends on the polarisation of the photon and the gluon. DeltaG/G can be extracted from the counting rate asymmetry of the D mesons created with the different polarisations of the target. In this work D mesons were reconstructed in different decay channels. The number of reconstructed D mesons and the signal to background ratio in the signal region were used to estimate the statistical error of DeltaG/G. Different kinematic cuts which suppress the background were optimized with respect to the error of DeltaG/G. The main contribution to the measurement of DeltaG/G comes from the golden D* channel (D*+ -> D0 pi+ -> (K- pi+)pi+ and respectively D*- ->D0bar pi- -> (K+ pi-)pi-). The golden D0 channel (D0 -> K- pi+ and respectively D0bar -> K+ pi-) has a high background with contributions of some very broad K* resonances. It is difficult to determine the strengths of these resonances in the Kpi mass spectrum. The resulting systematic error still has to be investigated. In total the statistical error of DeltaG/G amounts to 1.45 (using 2002 and 2003 data). The reconstruction probability of charged tracks as a function of momentum and transverse momentum as well as the reconstruction efficiency of K0s mesons and the identification efficiency of charged kaons was determined with Monte-Carlo simulations. These efficiencies were checked in the data comparing 2 decay channels of the charged D* resonance and reconstructing pairs of D mesons. Using these efficiencies the contribution of other decay channels to the DeltaG/G measurement could be estimated. Three channels are proposed. Their contribution corresponds each to 7 - 28 % more data in the golden D* channel.

In this thesis the decoherence properties, gate performance, control of solid-state quantum bits (qubits), and novel design proposals for solid-state qubits analogous to quantum optics are investigated. The qubits are realized as superconducting nanocircuits or quantum dot systems. The thesis elucidates both very appealing basic questions, like the generation and detection of deeply nonclassical states of the electromagnetic field, i.e., single photon Fock states, in the solid-state, but also presents a broad range of different strategies to improve the scalability and decoherence properties of solid-state qubit setups.