Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 04/05 Archiv

Diese Doktorarbeit umfasst zwei getrennte Analysen: zum einen die Messung des Verzweigungsverhaeltnisses B0 -> Psi(2S)Pi0 aus den Daten des Belle Experimentes, zum anderen die Abschaetzung der Rate von QED Untergrundereignissen bei kleinen Impulsen fuer das Detektorupgrade Belle II und deren Einfluss auf das Leistungsverhalten des neuen Pixeldetektors. In der ersten Analyse wurde der Zerfallskanal B0 -> Psi(2S)Pi0 untersucht und zum ersten Mal das zugehoerige Verzweigungsverhaeltnis bestimmt. Die Analyse beruht auf Daten des asymmetrischen e+e- KEKB Beschleunigers, die mit dem Belle Detektor aufgezeichnet wurden. Verwendet werden die gesamten Belle Daten, die 772 Millionen BbarB Paare enthalten. Die Analyse liefert folgendes Ergebnis fuer das Verzweigungsverhaeltnis: B(B0->Psi(2S)Pi0) = (1.07 +/- 0.23 +/- 0.08) x e-5. Die zweite Studie beschaeftigt sich mit dem Leistungsverhalten des Belle II Detektors. Viele Detektorkomponenten des Belle Experimentes werden im Ramen des Upgrades ersetzt oder verbessert. Wichtigste Veraenderung dabei ist der neue Pixeldetektor zur Messung des Wechselwirkungspunktes der kollidierenden Teilchen, der in unmittelbarer Naehe zum Strahlrohr eingebaut wird. Aufgrund seines geringen Radius wird er am staerksten von Untergrundereignissen beeinflusst. Es wird erwartet, dass zwei Photon QED Prozesse e+e- -> e+e-e+e- dabei die wichtigste Rolle spielen. Da die Luminositaet des neuen SuperKEKB Collider voraussichtlich 40-mal hoeher als die von KEKB sein wird, wird erwartet, dass die Rate von Untergrundereignissen entsprechend steigt. Um zwei Photon QED Prozesse zu analysieren, wurden Ereignisse verwendet, die nach dem Zufallsprinzip selektiert wurden (random trigger). Die bei diesen Ereignissen entstehenden Elektronen und Positronen haben eine sehr niedrige Energie und erreichen daher nur die innerste Lage des Pixeldetektors, die dadurch besonders belastet wird. Die Messungen zeigt, dass die Okkupanz der innersten Lage durch zwei Photon QED Ereignisse 0.7 % ist, was unterhalb der maximalen Okkupanz von 3 % liegt, bei der der Detektor noch fehlerfrei funktioniert.

Durch moderne Laserspektroskopie ist es mittlerweile möglich, chemische Reaktionen mit einer Zeitauflösung von wenigen Femtosekunden zu untersuchen. Auf der anderen Seite kann die Molekülstruktur mithilfe von Röntgenstrukturanalyse sehr exakt bestimmt werden. Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich damit, diese beiden Gebiete zusammenzubringen. Der erste Teil der Dissertation beschreibt den Aufbau einer Laserplasmaquelle am Lehrstuhl für BioMolekulare Optik. Ein hochenergetischer Laserimpuls wird in einer Vakuumkammer auf ein Kupferband fokussiert. Dabei entsteht charakteristische Kupfer-K-alpha-Strahlung, die auf die kristalline Probe abgebildet wird. Ein zweiter Laserimpuls induziert in der Probe eine chemische Reaktion, die die Kristallstruktur ändert. Mit diesem Aufbau sind Röntgenbeugungsmessungen mit einer Zeitauflösung von wenigen hundert Femtosekunden möglich. An einem möglichen Probenkristall, DIABN, wurden zudem Transmissionsmessungen mit einer Röntgen-Streak-Kamera durchgeführt. Dieses Molekül zeigt einen Ladungstransferzustand auch in der kristallinen Phase, welcher mit einer Strukturänderung einhergeht. Der Ladungstransfer beeinflusst aber auch die Ausrichtung der umgebenden Moleküle, was die Extinktion des Kristalls stark verändert. Dieser Effekt kann mit zeitaufgelösten Transmissionsmessungen untersucht werden, bevor Röntgenbeugungsexperimente durchgeführt werden. Der Hauptteil der Dissertation handelt von der Excimerbildung in 9,10-Dichloroanthrazen (DCA). Mit zeitaufgelöster Emissions- und Absorptionsspektroskopie wurde zunächst das Verhalten in Lösung beobachtet. Hier konnte erstmals eine detaillierte Studie zur Konzentrationsabhängigkeit der Excimerbildung von DCA erstellt werden. Mit den dabei gewonnen Erkenntnissen konnte eine vergleichende Untersuchung der beiden Kristallformen, alpha und beta, durchgeführt werden. Entgegen andersartigen Darstellungen in der Literatur konnte gezeigt werden, dass in der alpha-Form keine Excimerbildung stattfindet, während für die beta-Form die Bildungsrate bei Raumtemperatur bestimmt werden konnte. Die experimentellen Befunde lassen sich wie folgt erklären: Während in Lösung die Bildungsrate mit der Konzentration steigt, da es ein diffusionskontrollierter Prozess ist, sind im Kristall die beteiligten Moleküle relativ starr im Kristallgitter fixiert. In der beta-Form verhindert die relative Anordnung der Moleküle eine Excimerbildung, wohingegen in der alpha-Form die Moleküle fast perfekt parallel ausgerichtet sind und innerhalb kürzester Zeit ein Excimer bilden. Dieses System ist eine ideale Probe für die neu aufgebaute Laserplasmaquelle.

The Carina Nebula Complex is known to be an active star-formation region. This work presents a large catalogue of point-like sources assembled from archive data of the Infrared Array Camera (IRAC) onboard the Spitzer Space Telescope. This catalogue covers a region of 2.3 deg × 3.0 deg, which makes it the most extendended mid-infrared survey undertaken of the Carina Nebula Complex to date. From the catalogue a subsample of candidate young stellar objects is extracted utilising the fact that young stellar objects exhibit typical mid-infrared excesses. These catalogues are employed to characterise the young stellar population of the Carina Nebula Complex. Using them, it was possible to identify three new extended green objects and five compact green objects and find the probable sources for 28 further objects connected with jets emitted from young stars, such as molecular hydrogen emission-line objects and Herbig-Haro jets. For 17 of them, observational data from the near-infrared (from HAWK-I and 2MASS) to the far-infrared (from the Herschel Space Observatory) could be collected and their spectral energy distributions fitted. From the fit parameters, stellar characteristics such as stellar and disk masses could be estimated. No young stellar objects with masses above 10 M_sol could be evidenced, pointing towards an intermediate-mass population currently forming. It could be shown that the Gum 31 region on the outer periphery of the Carina Nebula Complex is not only part of the complex but also an important centre of star formation. A large sample of candidate young stellar object was obtained from the WISE All-Sky Data Release, which allowed a detailed comparison with both the candidate young stellar objects from the IRAC catalogue and those identified from Herschel observations. Evidence could be found that two modes of triggered star formation are going on in the HII region: Young stellar objects are found in and in front of dust pillars, which is an indicator of radiative triggering, and a ‘collect and collapse’ model of the region was shown to produce results in agreement with the observations. An objective and large-scale search for clusters of young stellar objects in the complex was performed using a nearest-neighbour algorithm. This search derived 22 clusters not described before. Nine of those are new detections in the fields of previous studies of clusters while the majority are found in fields surveyed for clusters for the first time here. Clusters are also found in agreement with previous studies where study fields overlap, thus corroborating the validity of the study. It is found that ∼40% of the young stellar objects in the Carina Nebula Complex occur in clusters while up to 60% are part of a distributed population. A total population for the 2.3 deg × 3.0 deg study field of ∼200 000 young stars is estimated.

The morphological analysis of galaxy clusters in X-rays allows a reliable determination of their dynamical state. Substructures on (sub-)Mpc scale influence the gravitational potential of a cluster and manifest themselves in the X-ray surface brightness distribution as secondary peaks or overall irregular shape. They lead to deviations from the hydrostatic equilibrium and spherical shape, two assumptions which are widely used in galaxy cluster studies to derive global astrophysical properties. Analyzing the X-ray morphology of clusters thus yields valuable information, provided that the employed substructure measures are well-tested and well-calibrated. In this work, the X-ray morphology of galaxy clusters is quantified using three common substructure parameters (power ratios, center shift and the asymmetry parameter), which are subsequently employed to study the disturbed cluster fraction as a function of redshift. To ensure a reliable application of these substructure parameters on a variety of X-ray images, a detailed parameter study is conducted. It focuses on the performance and reliability of the parameters for varying data quality using simulated and observed X-ray images. In particular, when applying them to X-ray images with low photon counts such as observations of distant clusters or survey data, it is important to know the characteristics of the parameters. Comparing the three substructure measures, the center shift parameter is most robust against Poisson noise and allows a reliable determination of the clusters' dynamical state even for low-count observations. Power ratios, especially the hexapole P3/P0, and the asymmetry parameter, on the other hand, are severely affected by noise, which results in spuriously high substructure signals. Furthermore, this work presents methods to minimize the noise bias. The results of the parameter study provide a step forward in the morphological analysis of high-redshift clusters and are employed in the framework of this thesis to quantify the evolution of the disturbed cluster fraction. The sample used for this analysis comprises 78 low-z (z < 0.3) and 51 high-z (0.3 < z < 1.08) galaxy clusters with varying photon statistics. The low-redshift objects were observed with the XMM-Newton observatory, contain a high number of photon counts and are part of several well-known and representative samples. For z > 0.3, the high-redshift subsets of the 400d2 and SPT survey catalog are used. These objects were mainly observed with the Chandra observatory and have low photon counts. To ensure a fair comparison, which is independent of the data quality, the photon statistics of the low- and high-redshift observations are aligned before performing the morphological analysis. In agreement with the hierarchical structure formation model, a mild positive evolution with redshift, i.e. a larger fraction of clusters with disturbed X-ray morphologies at higher redshift, is found. Owing to the low photon counts and small number of high-redshift observations, the statistical significance of this result is low. For two of the three substructure parameters (power ratios and center shift) the findings are also consistent within the significance limits with no evolution, but a negative evolution of the disturbed cluster fraction can be excluded for all parameters.