TY  - THES
A1  - Edelhäuser, Lisa
T1  - Model Independent Spin Determination at Hadron Colliders
T1  - Modellunabhängige Spinbestimmung an Hadronbeschleunigern
N2  - Mit dem Ende des Jahres 2011 haben die beiden LHC-Experimente ATLAS und CMS jeweils ungef\"ahr 5 inverse Femtobarn an Daten bei einer Energie von 7 TeV aufgenommen. Die bisher analysierten Daten geben nur sehr vage Hinweise auf neue Physik an der TeV-Skala. Trotzdem erwartet man, dass sich an dieser Skala neue Physik zeigt, die bekannte Probleme des Standardmodells behebt. In den letzten Jahrzehnten wurden viele Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik und ihre Ph\"anomenologie dazu ausgearbeitet. Sobald sich neue Physik zeigt, stellt sich die Aufgabe, ihre Beschaffenheit und das zugrunde liegende Modell zu finden. Erste Hinweise k\"onnen nat\"urlich schon das Massenspektrum und die Quantenzahlen wie z.B. die elektrische und die Farbladung der neuen Teilchen liefern. \\ In zwei sehr bekannten und gut untersuchten Modellklassen, Supersymmetrie und Extradimensionen, haben neue Teilchen allerdings sehr \"ahnliche Eigenschaften an der erreichbaren Energieskala. Beide Modelle f\"uhren Partnerteilchen zu den bekannten Standardmodell-Teilchen ein, die, abgesehen von der Masse, sehr \"ahnliche Eigenschaften besitzen. Aus diesem Grund ist es n\"otig, weitere Kriterien zu ihrer Unterscheidung einzusetzen.\\ Ein hilfreicher Unterschied ergibt sich aus der Konstruktion beider Modelle: W\"ahrend in Modellen mit Extradimensionen die Partnerteilchen gleichen Spin wie die Standardmodell-Teichen haben, ist der Spin der Partnerteilchen in supersymmetrischen Modellen um 1/2 verschieden. Dieser Unterschied hat nun interessante Auswirkungen auf die jeweilige Ph\"anomenologie der Modelle.\\ Zum Beispiel kann man ausnutzen, dass die unterschiedlichen Spins die absoluten Wirkungsquerschnitte beeinflussen. Diese Methode setzt allerdings voraus, dass man die Massen und Kopplungsst\"arken sehr genau kennt. Eine weitere Herangehensweise nutzt aus, dass Winkelverteilungen vom Spin der involvierten Teilchen abh\"angen k\"onnen. Eine wichtige darauf basierende Methode stellt einen Zusammenhang zwischen der invariante-Masse-Verteilung $d\Gamma/d\sff$ zweier Zerfallsprodukte und dem Spin des intermedi\"aren Teilchens, \"uber welches der Zerfall abl\"auft, her.\\ In dieser Arbeit untersuchen wir als erstes den Einfluss von Operatoren h\"oherer Ordnung auf die Spinbestimmung in Zerfallsketten. Wir klassifizieren als erstes die relevanten Operatoren der Dimension 5 und 6. Wir berechnen die neuen Beitr\"age und diskutieren ihre Auswirkungen auf die Bestimmung von Kopplungen und Spin in diesen Zerf\"allen.\\ Im weiteren betrachten wir zwei Szenarien, die nicht die \"ublichen Zerfallsketten beinhalten:\\ In Dreik\"orperzerf\"allen kann die oben erw\"ahnte Methode nicht angewendet werden, da das intermedi\"are Teilchen nicht auf die Massenschale gehen kann. Solche off-shell'' Zerf\"alle k\"onnen in Szenarien wie split-Supersymmetrie oder split-Universal Extra Dimensions'' wichtig sein. Man kann hier die sogenannte Narrow width approximation'' nicht anwenden, welche eine notwendige Voraussetzung f\"ur einen einfachen Zusammenhang zwischen Spin und der invariante-Masse-Verteilung ist. Wir arbeiten eine Strategie f\"ur diese Dreik\"orperzerf\"alle aus, mittels derer man zwischen den unterschiedlichen Spinszenarien unterscheiden kann. Diese Strategie beruht darauf, dass man hier die differentielle Zerfallsbreite als globalen Phasenraumfaktor mal einem Polynom in der invarianten Masse $\sff$ schreiben kann. Die hierbei auftretenden Koeffizienten sind nur Funktionen der involvierten Massen und Kopplungen, und wir zeigen, wie beispielsweise ihre Wertebereiche und Vorzeichen dazu benutzt werden k\"onnen, um den zugrunde liegenden Zerfall zu bestimmen. Am Ende testen wir diese Strategie in einer Reihe von Monte Carlo-Simulationen, und diskutieren auch den Einfluss des off-shell'' Teilchens. Im letzten Teil betrachten wir eine Topologie mit sehr kurzen Zefallsketten, in der man den oben genannten Zusammenhang zwischen Spin und invarianter Masse ebenfalls nicht anwenden kann. Wir untersuchen eine bestimmte Variable, die zur Unterscheidung von Supersymmetrie und Universal Extra Dimensions'' eingef\"uhrt wurde. Dabei nutzt man aus, dass sich das Problem im Hochenergielimes auf die zugrunde liegenden Produktionsprozesse reduziert. Wir diskutieren, wie man diese Variable auch in Szenarien anwenden kann, in denen dieser Limes keine gute N\"aherung darstellt. Dazu betrachten wir die m\"oglichen Spinszenarien mit renormierbaren Kopplungen und untersuchen im Detail, wie gut diese Variable zwischen verschiedenen Spin-, Massen- und Kopplungsszenarien unterscheiden kann. Wir finden beispielsweise, dass das Spinszenario, welches den supersymmetrischen Fall beinhaltet, von den meisten anderen Spinszenarien gut unterscheidbar ist.
N2  - By the end of the year 2011, both the CMS and ATLAS experiments at the Large Hadron Collider have recorded around 5 inverse femtobarns of data at an energy of 7 TeV. There are only vague hints from the already analysed data towards new physics at the TeV scale. However, one knows that around this scale, new physics should show up so that theoretical issues of the standard model of particle physics can be cured. During the last decades, extensions to the standard model that are supposed to solve its problems have been constructed, and the corresponding phenomenology has been worked out. As soon as new physics is discovered, one has to deal with the problem of determining the nature of the underlying model. A first hint is of course given by the mass spectrum and quantum numbers such as electric and colour charges of the new particles. However, there are two popular model classes, supersymmetric models and extradimensional models, which can exhibit almost equal properties at the accessible energy range. Both introduce partners to the standard model particles with the same charges and thus one needs an extended discrimination method. From the origin of these partners arises a relevant difference: The partners constructed in extradimensional models have the same spin as their standard model partners while in Supersymmetry they differ by spin 1/2.\\ These different spins have an impact on the phenomenology of the two models. For example, one can exploit the fact that the total cross sections are affected, but this requires a very good knowledge of the couplings and masses involved. Another approach uses angular distributions depending on the particle spins. A prevailing method based on this idea uses the invariant mass distribution of the visible particles in decay chains. One can relate these distributions to the spin of the particle mediating the decay since it reflects itself in the highest power of the invariant mass $\sff$ of the adjacent particles. In this thesis we first study the influence of higher than dimension 4 operators on spin determination in such decay chains. We write down the relevant dimension 5 and 6 operators and calculate their contributions to the invariant mass distribution. We discuss how they affect the determination of spin and couplings.\\ We then address two scenarios which do not involve decay chains in the usual sense. In three body decays, the method pointed out above cannot be applied since it can only be used if the mediating particle is produced on-shell. For off-shell decays, which are important e.g. in split-Supersymmetry or split-Universal Extra Dimensions, the narrow width approximation cannot be made which previously led to the simple relation between spin and the highest power of $\sff$. We work out a strategy for these three body decays that can distinguish between the different spin scenarios. The method relies on the fact that the differential decay width $d\Gamma /d\sff$ can be rewritten in this limit as a global phase space function and a polynomial in $\sff$. The coefficients in this polynomial are functions of masses and couplings and we show that they have distinct signs or ratios depending on the spins involved in the decay. We test the strategy in a series of Monte Carlo studies and discuss the influence of the intermediate particle's mass. In the last part we consider a topology with very short decay chains. Again one cannot use the relation between spin and invariant mass. We investigate one variable that has been invented for the discrimination of Supersymmetry and Universal Extra Dimensions in the high energy limit which reduces the problem to the underlying production process. We show how this variable can also be used in new physics scenarios where the high energy limit is not a viable approximation. We include all possible spin scenarios with renormalizable interactions and study in detail the influence of the involved masses and couplings on the discrimination power of this variable. We find for example that the scenario containing the supersymmetric case is well distinguishable from most other spin scenarios.
KW  - Elementarteilchenphysik
KW  - Beyond the standard model
KW  - spin determination
KW  - Spin
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-71030
ER  - 
TY  - THES
A1  - Weidinger, Matthias
T1  - Variabilität entlang der Blazar-Sequenz - Hinweise auf die Zusammensetzung relativistischer Ausflüsse Aktiver Galaxienkerne
T1  - Variability along the Blazar-Sequence - Hints for the composition of the relativistic outflows of Active Galactic Nuclei
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Abstrahlung von Aktiven Galaxienkernen. Das erste Maximum der charakteristischen Doppelpeakstruktur des $\nu F_{\nu}$-Spektrums vom Blazaren ist zweifelsfrei Synchrotronstrahlung hochenergetischer Elektronen innerhalb des relativistischen Ausflusses des zugrundeliegenden Aktiven Galaxienkerns. Die zum zweiten (hochenergetischen) Maximum beitragenden Strahlungsprozesse und Teilchenspezies hingegen sind Gegenstand aktueller Diskussionen. In dieser Arbeit wir ein vollständig selbstkonsistentes und zeitabhängiges hybrides Emissionsmodell, welches auch Teilchenbeschleunigung berücksichtigt, entwickelt und auf verschiedene Blazar-Typen entlang der Blazar-Sequenz, von BL Lac Objekten mit verschiedenen Peakfrequenzen bis hin zu Flachspektrum-Radioquasaren, angewendet. Die spektrale Emission ersterer kann gut im rein leptonischen Grenzfall, d.h. der zweite $\nu F_{\nu}$-Peak kommt durch invers Compton-gestreute Synchrotronphotonen der abstrahlenden Elektronen selbst zustande, beschrieben werden. Zur Beschreibung letzterer muss man nicht-thermische Protonen innerhalb des Jets zulassen um die Dominanz des zweiten Maximums im Spektrum konsistent zu erklären. In diesem Fall besteht der zweite Peak aus Protonensynchrotronstrahlung und Kaskadenstrahlung der photohadronischen Prozesse. Mit dem entwickelten Modell ist es möglich auch die zeitliche Information, welche durch Ausbrüche von Blazaren bereitgestellt wird, auszunutzen um zum einen die freien Modellparameter weiter einzuschränken und -viel wichtiger- zum anderen leptonisch dominierte Blazare von hadronischen zu unterscheiden. Hierzu werden die typischen Zeitunterschiede in den Interbandlichtkurven als hadronischer Fingerabdruck benutzt.\\ Mit einer Stichprobe von 16 Spektren von zehn Blazaren entlang der Blazar-Sequenz, welche in unterschiedlichen Flusszuständen und mit starker Variabilität beobachtet wurden, ist es möglich die wichtigsten offenen Fragen der Physik relativistischer Ausbrüche in systematischer Art und Weise zu adressieren. Anhand der modellierten Ausbrüche kann man erkennen, dass sechs Quellen rein leptonisch dominiert sind, aber vier Protonen bis auf $\gamma \approx 10^{11}$ beschleunigen, was Auswirkungen auf die möglichen Quellen extragalaktischer kosmischer Strahlung unter den Blazaren hat. Darüber hinaus findet sich eine Abhängigkeit zwischen dem Magnetfeld der Emissionsregion und der injizierten Leuchtkraft, welche unabhängig von den zugrunde liegenden Teilchenpopulationen Gültigkeit besitzt. In diesem Zusammenhang lässt sich die Blazar-Sequenz als ein evolutionäres Szenario erklären: die Sequenz $FSRQ \rightarrow LBL/IBL \rightarrow HBL$ kommt aufgrund abnehmender Gasdichte der Hostgalaxie und damit einhergehender abnehmender Akkretionsrate zustande, dies wird durch weitere kosmologische Beobachtungen bestätigt. Eine abnehmende Materiedichte innerhalb des relativistischen Ausflusses wird von einem abnehmenden Magnetfeld begleitet, d.h. aber auch, dass Protonen weit vor den Elektronen nicht mehr im Strahlungsgebiet gehalten werden können. Die Blazar-Sequenz ist also ein Maß für die Hadronizität des Jets. Dies erklärt zudem die Dichotomie von FSRQs und BL Lac Objekten sowie die Zweiteilung in anderen Erscheinungsformen von AGN, z.B. FR-I und FR-II Radiogalaxien.\\ Während der Modellierung wird gezeigt, dass man Blazar-Spektren, speziell im hadronischen Fall, nicht mehr statisch betrachten kann, da es zu kumulierten Effekten aufgrund der langen Protonensynchrotronzeitskala kommt. Die niedrige Luminosität der Quellen und unterschiedlich lange Beobachtungszeiten verschiedener Experimente verlangen bei variablen Blazaren auch im leptonischen Fall eine zeitabhängige Betrachtung. Die Kurzzeitvariabilität scheint bei einzelnen Blazaren stets die selbe Ursache zu haben, unterscheidet sich aber bei der Betrachtung verschiedener Quellen. Zusätzlich wird für jeden Blazar, der in verschiedenen Flusszuständen beobachtet werden konnte, der Unterschied zwischen Lang- und Kurzzeitvariabilität, auch im Hinblick auf einen möglichen globalen Grundzustand hin, betrachtet.
N2  - The work at hand deals with the radiative properties of active galactic nuclei. The first peak in the characteristic double humped spectral energy distribution of blazars is undoubtedly synchrotron emission of highly energetic electrons within the relativistic outflow of the subjacent active galactic nucleus whereas the contributing processes and particle species giving rise to the second, high energy peak are still a matter of debate. In this work a fully selfconsistent and timedependent hybrid emission model, including particle acceleration, is developed and applied to various types of sources from high frequency peaked BL Lac objects to the luminous flat spectrum radio quasars along the blazar-sequence. While the spectral emission of the first is well described leptonically, i.e. the second peak is Compton upscattered synchrotron photons by the radiating electrons themselves, one needs to introduce non-thermal protons within the jet of the latter to explain the $\gamma$-dominance in their spectra consistently. In this case the second peak consists of synchrotron radiation of highly relativistic protons and reprocessed radiation from photohadronic interactions. With the developed framework it is possible to exploit outbursts of blazars, and hence the provided timing information on the one hand to tighten down the model parameters and on the other hand, more importantly, to discriminate between purely leptonic blazars and hadronically dominated ones using the typical timelags in the interband lightcurves as a fingerprint.\\ With a sample of 16 spectra of ten blazars along the sequence, observed at different flux levels exhibiting strong variability, it is possible to address the most important questions concerning the physics of the relativistic outflow in a systematic way. As modelled outbursts indicate, six blazars are well described in a leptonic context while four accelerate protons up to $\gamma \approx 10^{11}$. The impact on possible sources of extragalactic cosmic rays among blazars are discussed. Furthermore a correlation between the magnetic field within the jet and the injected luminosity is found being independent from the underlying particle species. In this context the blazar-sequence is explained as an evolutionary scenario, the decreasing gas-density in the hostgalaxy and hence the declining accretion rate giving rise to the sequence $FSRQ \rightarrow LBL/IBL \rightarrow HBL$ also confirmed by cosmological observations. The decreasing mass-loading of the outflow goes hand in hand with a abating magnetic field, i.e. protons become less confined way before the electrons. Therefore the blazar-sequence can be interpreted as the hadronicness of a jet. This also consistently explains the dichotomy between FSRQs and BL Lacs as well as in other manifestations of AGN, namely FR-I and FR-II radiogalaxies.\\ During the modelling it is shown that blazar spectra, especially of hadronically dominated AGN, are not to be interpreted in a time-independent, static limit since outbursts are accumulated due to relatively long proton synchrotron timescales. Low flux levels and diverse integration times of experiments in various energy bands will also require for a time-resolved treatment of variable sources, even leptonic ones. The systematic investigation of short time variability depicts, that it is excited in the same way for various outbursts of the same blazar, but has no common cause concerning different sources. Additionally the difference between long- and short-time variability is emphasized for each blazar observed at different flux levels in context with a possible lowstate of each source.
KW  - Blazar
KW  - AGN
KW  - Jet
KW  - Strahlungsprozesse: Nicht-Thermisch
KW  - AGN
KW  - blazar
KW  - jet
KW  - radiation: non thermal
KW  - Strahlung
KW  - Mathematisches Modell
KW  - Astrophysik
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-70508
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kaiser, J. C.
A1  - Riemer, N.
A1  - Knopf, D. A.
T1  - Detailed heterogeneous oxidation of soot surfaces in a particle-resolved aerosol model
N2  - Using the particle-resolved aerosol model PartMC-MOSAIC, we simulate the heterogeneous oxidation of a monolayer of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) on soot particles in an urban atmosphere. We focus on the interaction of the major atmospheric oxidants (O3, NO2, OH, and NO3) with PAHs and include competitive co-adsorption of water vapour for a range of atmospheric conditions. For the first time detailed heterogeneous chemistry based on the P¨oschl-Rudich-Ammann (PRA) framework is modelled on soot particles with a realistic size distribution and a continuous range of chemical ages. We find PAH half-lives, 1/2, on the order of seconds during the night, when the PAHs are rapidly oxidised by the gas-surface reaction with NO3. During the day, 1/2 is on the order of minutes and determined mostly by the surface layer reaction of PAHs with adsorbed O3. Such short half-lives of surface-bound PAHs may lead to efficient conversion of hydrophobic soot into more hygroscopic particles, thus increasing the particles’ aerosol-cloud interaction potential. Despite its high reactivity OH appears to have a negligible effect on PAH degradation which can be explained by its very low concentration in the atmosphere. An increase of relative humidity (RH) from 30% to 80% increases PAH half-lives by up to 50%for daytime degradation and by up to 100% or more for nighttime degradation. Uptake coefficients, averaged over the particle population, are found to be relatively constant over time for O3 (2×10-7 to 2×10-6) and NO2 (5×10-6 to 10-5) at the different levels of NOx emissions and RH considered in this study. In contrast, those for OH and NO3 depend strongly on the surface concentration of PAHs. We do not find a significant influence of heterogeneous reactions on soot particles on the gas phase composition. The derived half-lives of surfacebound PAHs and the time and particle population averaged uptake coefficients for O3 and NO2 presented in this paper can be used as parameterisations for the treatment of heterogeneous chemistry in large-scale atmospheric chemistry models.
KW  - Physik
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-75440
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wisniewski, Martina
T1  - Numerische Untersuchung von Turbulenz und Teilchentransport in der Heliosphaere
T1  - Numerical Investigations of Turbulence and Particle Transport in the Heliosphere
N2  - Hochenergetische solare Teilchen werden bei ihrem Transport durch die Heliosphäre an turbulenten Magnetfeldern gestreut. Für das Verständnis dieses Streuprozesses ergeben sich aus heutiger Sicht zwei wesentliche Hindernisse: - Bei der Streuung hochenergetischer Teilchen an turbulenten Magnetfeldern handelt es sich um einen nichtlinearen Prozess, der durch analytische Theorien kaum zu beschreiben ist. - Der Streuprozess hängt stark von den tatsächlichen Magnetfeldern und somit auch von der Magnetfeldturbulenz ab. Unser bisheriges Verständnis der heliosphärischen Turbulenz ist leider aufgrund spärlicher experimenteller Daten deutlich eingeschränkt, was eine qualifizierte Umsetzung in analytischen und numerischen Ansätzen deutlich erschwert. Dies machte in der Vergangenheit künstliche Annahmen für die Modellerstellung notwendig. In dieser Arbeit wird der Teilchentransport mit Hilfe der Simulation von Testteilchen in einem turbulenten, magnetohydrodynamischen Plasma untersucht. Durch die Testteilchen werden auch die nichtlinearen Streuprozesse korrekt wiedergegeben, wodurch das erste hier genannte Hindernis überwunden wird. Dies wurde auch bereits in früheren numerischen Untersuchungen erfolgreich angewendet. Die Modellierung der Turbulenz für den Fall des Teilchentransports erfolgt in dieser Arbeit erstmalig auf Grundlage der magnetohydrodynamischen Gleichungen. Dabei handelt es sich um die mathematisch korrekte Wiedergabe der Magnetfeldturbulenz unterhalb der Ionen-Gyrofrequenz mit nur geringen numerischen Einschränkungen. Darüber hinaus erlaubt ein auf das physikalische Szenario anpassbarer Turbulenztreiber eine noch realistischere Simulation der Turbulenz. Durch diesen universell gültigen, numerischen Ansatz können für das zweite hier angegebene Hindernis jegliche künstlichen Annahmen vermieden werden. Die drei im Rahmen dieser Arbeit erstmals zusammengeführten Methoden (Testteilchen, magnetohydrodynamische Turbulenz, Turbulenztreiber) ermöglichen somit eine Untersuchung und Analyse von Transport- und Turbulenzphänomenen mit herausragender Qualität, die insbesondere für den Fall des Teilchentransports einen direkten Anschluss an experimentelle Ergebnisse ermöglichen. Wichtige Ergebnisse im Rahmen dieser Arbeit sind: - der Nachweis der Drei-Wellen-Wechselwirkung für schwache und einsetzende starke Turbulenz. - eine Analyse der Anisotropie der Turbulenz im Bezug auf das Hintergrundmagnetfeld in Abhängigkeit vom Treibmodell. Insbesondere die Anisotropie ist experimentell bislang kaum erfassbar. - eine Untersuchung der Auswirkung der Gyroresonanzen auf die Diffusionskoeffizienten hochenergetischer solarer Teilchen in allgemeiner Form. - die Simulation des Teilchentransports in der Heliosphäre auf Grundlage experimenteller Messdaten. Die genauere Analyse der Simulationsergebnisse ermöglicht insgesamt einen Zugang zum Verständnis des Transports, der durch experimentelle Untersuchungen nicht erfassbar ist. Bei der Simulation wurden lediglich die Magnetfeldstärke sowie die untersuchte Teilchenenergie vorgegeben. Aus der Analyse der Simulationsergebnisse ergibt sich dieselbe mittlere freie Weglänge, wie sie auch durch andere Verfahren direkt aus den Messergebnissen gewonnen werden konnte. Auch die vorwiegende Ausrichtung der hochenergetischen Teilchen parallel und antiparallel zum Hintergrundmagnetfeld in der Simulation entspricht experimentellen Untersuchungen. Es zeigt sich, dass diese allein aus den resonanten Streuprozessen der Teilchen mit den Magnetfeldern resultiert. Des Weiteren werden die Art der Diffusion, der Energieverlust der Teilchen während des Transportprozesses sowie die Gültigkeit der quasilinearen Theorie untersucht.
N2  - High energetic solar particles are scattered during their transport through the heliosphere due to turbulent magnetic fields. Our today's understanding is mainly limited by two obstacles: - The scattering of high energetic particles due to turbulent magnetic fields is a nonlinear process and can therefore hardly be described by analytical theories. - The scattering process additionally depends on the actual magnetic fields and accordingly on the magnetic turbulence. Our today's understanding of the heliospheric turbulence, however, is considerably restricted due to sparse experimental data, which complicates the implementation of analytical and numerical theories. This fact necessitated artificial assumptions for the modeling in the past. In this work particle transport is investigated with simulations of test particles in turbulent magnetohydrodynamic plasmas. Due to the test particles the nonlinear scattering processes are expressed correctly. So we overcome the firstly mentioned obstacle. This test particle approach has already successfully been used in earlier numerical works. In this work the modelling of the turbulence was for the first time implemented on the basis of the magnetohydrodynamic equations for particle transport studies. This is the mathematical accurate description for magnetic field turbulence below the ion gyro-frequency with only small numerical limitations. Additionally the turbulence driver is adjustable to the physical scenario which allows an even more realistic simulation of the turbulence. With this universally valid numerical approach we can avoid any artificial assumptions for the secondly mentioned obstacle. In this work the three methods (test particles, magnetohydrodynamic turbulence, turbulence driver) have been combined for the first time. This makes it possible to investigate and analyse transport- and turbulence phenomena with outstanding quality. Especially for the particle transport simulations a direct link to experimental data is possible. The most important results of this work are - the detection of three wave interaction in weak and evolving strong magnetohydrodynamic turbulence. - the detailed analysis of turbulence anisotropy with respect to the mean background magnetic field depending on the actual driving model. Especially the anisotropy is hardly ascertainable in experiments up to now. - an investigation of the effect of the gyro-resonances on the diffusion coefficients of high energetic solar particles in general. - the simulation of particle transport in the heliosphere on the basis of experimental measurements. The detailed analysis of these simulation results allows an overall insight into particle transport which is inaccessible for experimental investigations. The only input parameter for these simulations are both the magnetic field strength and the investigated particle energy. The analysis of the simulation findings results in the same value for the mean free path as it is directly found by the measured data with different methods. The predominant orientation parallel and anti-parallel to the mean background magnetic field in the simulation also corresponds to experimental findings. It is shown that this is only a result of resonant particle scattering with the background magnetic fields. Furthermore the type of scattering, the energy loss of the particles during their transport and the validity of the quasilinear theory in this context are explored.
KW  - Sonnenwind
KW  - Heliosphäre
KW  - Turbulente Strömung
KW  - Transportprozess
KW  - Numerisches Modell
KW  - Teilchentransport
KW  - Astrophysik
KW  - Turbulenztheorie
KW  - Kosmische Strahlung
KW  - Magnetohydrodynamik
KW  - particle transport
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-64652
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schenkel, Alexander
T1  - Noncommutative Gravity and Quantum Field Theory on Noncommutative Curved Spacetimes
T1  - Nichtkommutative Gravitation und Quantenfeldtheorie auf Nichtkommutativen Gekrümmten Raumzeiten
N2  - Über die letzten Jahrzehnte hat sich die nichtkommutative Geometrie zu einem etablierten Teilgebiet der reinen Mathematik und der theoretischen Physik entwickelt. Die Entdeckung, dass gewisse Grenzfälle der Quantengravitation und Stringtheorie zu nichtkommutativer Geometrie führen, motivierte die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells der Elementarteilchenphysik und der Einstein'schen allgemeinen Relativitätstheorie im Rahmen von nichtkommutativen Geometrien. Einen ergiebigen Ansatz zu letzteren Theorien, welcher Deformationsquantisierung (Sternprodukte) mit Methoden aus der Theorie der Quantengruppen kombiniert, wurde von der Gruppe um Julius Wess entwickelt. Die resultierende Gravitationstheorie ist nicht nur imstande nichtkommutative Effekte der Raumzeit zu beschreiben, sondern sie erfüllt ebenfalls ein generalisiertes allgemeines Kovarianzprinzip, welches durch eine deformierte Hopf Algebra von Diffeomorphismen beschrieben wird. Gegenstand des ersten Teils dieser Dissertation ist es Symmetriereduktion im Rahmen von nichtkommutativer Gravitation zu verstehen und damit exakte Lösungen der nichtkommutativen Einstein'schen Gleichungen zu konstruieren. Diese Untersuchungen sind von großer Bedeutung um den physikalischen Inhalt dieser Theorien herauszuarbeiten und den Kontakt zu Anwendungen, z.B. im Rahmen nichtkommutativer Kosmologie und Physik schwarzer Löcher, herzustellen. Wir verallgemeinern die übliche Methode der Symmetriereduktion, welche eine Standardtechnik im Auffinden von Lösungen der Einstein'schen Gleichungen ist, auf nichtkommutative Gravitation. Es wird gezeigt, dass unsere Methode zur nichtkommutativen Symmetriereduktion für ein gegebenes symmetrisches System zu bevorzugten Deformationen führt. Für Abelsche Drinfel'd Twists klassifizieren wir alle konsistenten Deformationen von räumlich flachen Friedmann-Robertson-Walker Kosmologien und des Schwarzschild'schen schwarzen Loches. Aufgrund der deformierten Symmetriestruktur dieser Modelle können wir viele Beispiele von exakten Lösungen der nichtkommutativen Einstein'schen Gleichungen finden, bei welchen das nichtkommutative Metrikfeld mit dem klassischen übereinstimmt. Im Fokus des zweiten Teils sind Quantenfeldtheorien auf nichtkommutativen gekrümmten Raumzeiten. Dazu entwickeln wir einen neuen Formalismus, welcher algebraische Methoden der Quantenfeldtheorie mit nichtkommutativer Differentialgeometrie verknüpft. Als Resultat unseres Ansatzes erhalten wir eine Observablenalgebra für skalare Quantenfeldtheorien auf einer großen Klasse von nichtkommutativen gekrümmten Raumzeiten. Es wird eine präzise Relation zwischen dieser Algebra und der Observablenalgebra der undeformierten Quantenfeldtheorie hergeleitet. Wir studieren ebenfalls explizite Beispiele von deformierten Wellenoperatoren und finden, dass im Gegensatz zu dem einfachsten Modell des Moyal-Weyl deformierten Minkowski-Raumes, im Allgemeinen schon die Propagation freier Felder durch die nichtkommutative Geometrie beeinflusst wird. Die Effekte von konvergenten Deformationen werden in einfachen Spezialfällen untersucht, und wir beobachten neue Aspekte in diesen Quantenfeldtheorien, welche sich in formalen Deformationen nicht zeigten. Zusätzlich zu der erwarteten Nichtlokalität finden wir, dass sich die Beziehung zwischen der deformierten und der undeformierten Quantenfeldtheorie nichttrivial verändert. Wir beweisen, dass dies zu einem verbesserten Verhalten der nichtkommutativen Theorie bei kurzen Abständen, d.h. im Ultravioletten, führt. Im dritten Teil dieser Arbeit entwickeln wir Elemente eines leistungsfähigeren, jedoch abstrakteren, mathematischen Ansatzes zur Beschreibung der nichtkommutativen Gravitation. Das Hauptaugenmerk liegt auf globalen Aspekten von Homomorphismen zwischen und Zusammenhängen auf nichtkommutativen Vektorbündeln, welche fundamentale Objekte in der mathematischen Beschreibung von nichtkommutativer Gravitation sind. Wir beweisen, dass sich alle Homomorphismen und Zusammenhänge der deformierten Theorie mittels eines Quantisierungsisomorphismus aus den undeformierten Homomorphismen und Zusammenhängen ableiten lassen. Es wird ebenfalls untersucht wie sich Homomorphismen und Zusammenhänge auf Tensorprodukte von Moduln induzieren lassen. Das Verständnis dieser Induktion erlaubt es uns die nichtkommutative Gravitationstheorie von Wess et al. um allgemeine Tensorfelder zu erweitern. Als eine nichttriviale Anwendung des neuen Formalismus erweitern wir unsere Studien zu exakten Lösungen der nichtkommutativen Einstein'schen Gleichungen auf allgemeinere Klassen von Deformationen.
N2  - Over the past decades, noncommutative geometry has grown into an established field in pure mathematics and theoretical physics. The discovery that noncommutative geometry emerges as a limit of quantum gravity and string theory has provided strong motivations to search for physics beyond the standard model of particle physics and also beyond Einstein's theory of general relativity within the realm of noncommutative geometries. A very fruitful approach in the latter direction is due to Julius Wess and his group, which combines deformation quantization (star-products) with quantum group methods. The resulting gravity theory does not only include noncommutative effects of spacetime, but it is also invariant under a deformed Hopf algebra of diffeomorphisms, generalizing the principle of general covariance to the noncommutative setting. The purpose of the first part of this thesis is to understand symmetry reduction in noncommutative gravity, which then allows us to find exact solutions of the noncommutative Einstein equations. These are important investigations in order to capture the physical content of such theories and to make contact to applications in e.g. noncommutative cosmology and black hole physics. We propose an extension of the usual symmetry reduction procedure, which is frequently applied to the construction of exact solutions of Einstein's field equations, to noncommutative gravity and show that this leads to preferred choices of noncommutative deformations of a given symmetric system. We classify in the case of abelian Drinfel'd twists all consistent deformations of spatially flat Friedmann-Robertson-Walker cosmologies and of the Schwarzschild black hole. The deformed symmetry structure allows us to obtain exact solutions of the noncommutative Einstein equations in many of our models, for which the noncommutative metric field coincides with the classical one. In the second part we focus on quantum field theory on noncommutative curved spacetimes. We develop a new formalism by combining methods from the algebraic approach to quantum field theory with noncommutative differential geometry. The result is an algebra of observables for scalar quantum field theories on a large class of noncommutative curved spacetimes. A precise relation to the algebra of observables of the corresponding undeformed quantum field theory is established. We focus on explicit examples of deformed wave operators and find that there can be noncommutative corrections even on the level of free field theories, which is not the case in the simplest example of the Moyal-Weyl deformed Minkowski spacetime. The convergent deformation of simple toy-models is investigated and it is shown that these quantum field theories have many new features compared to formal deformation quantization. In addition to the expected nonlocality, we obtain that the relation between the deformed and the undeformed quantum field theory is affected in a nontrivial way, leading to an improved behavior of the noncommutative quantum field theory at short distances, i.e. in the ultraviolet. In the third part we develop elements of a more powerful, albeit more abstract, mathematical approach to noncommutative gravity. The goal is to better understand global aspects of homomorphisms between and connections on noncommutative vector bundles, which are fundamental objects in the mathematical description of noncommutative gravity. We prove that all homomorphisms and connections of the deformed theory can be obtained by applying a quantization isomorphism to undeformed homomorphisms and connections. The extension of homomorphisms and connections to tensor products of modules is clarified, and as a consequence we are able to add tensor fields of arbitrary type to the noncommutative gravity theory of Wess et al. As a nontrivial application of the new mathematical formalism we extend our studies of exact noncommutative gravity solutions to more general deformations.
KW  - Nichtkommutative Geometrie
KW  - Quantenfeldtheorie
KW  - Gravitationstheorie
KW  - Nichtkommutative Differentialgeometrie
KW  - Gravitation
KW  - Nichtlokale Quantenfeldtheorie
KW  - Quantenfeldtheorie
KW  - Noncommutative Geometry
KW  - Gravity
KW  - Quantum Field Theory on Curved Spacetimes
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-65823
ER  - 
TY  - THES
A1  - Adamek, Julian
T1  - Classical and Quantum Aspects of Anisotropic Cosmology
T1  - Klassische und Quantentheoretische Gesichtspunkte der Anisotropen Kosmologie
N2  - The idea that our observable Universe may have originated from a quantum tunneling event out of an eternally inflating false vacuum state is a cornerstone of the multiverse paradigm. Modern theories that are considered as an approach towards the ultraviolet-complete fundamental theory of particles and gravity, such as the various types of string theory, even suggest that a vast landscape of different vacuum configurations exists, and that gravitational tunneling is an important mechanism with which the Universe can explore this landscape. The tunneling scenario also presents a unique framework to address the initial conditions of our observable Universe. In particular, it allows to introduce deviations from the cosmological concordance model in a controlled and well-motivated way. These deviations are a central topic of this work. An important feature in most of the theories mentioned above is the presumed existence of additional space dimensions in excess of the three which we observe in our every-day experience. It was realized that these extra dimensions could avoid our detection if they are compactified to microscopic length scales far beyond the reach of current experiments. There also seem to be natural mechanisms available for dynamical compactification in those theories. These typically lead to a vast landscape of different vacuum configurations which also may differ in the number of macroscopic dimensions, only the total number of dimensions being determined by the theory. Transitions between these vacuum configurations may hence open up new directions which were previously compact, spontaneously compactify some previously macroscopic directions, or otherwise re-arrange the configuration of compact and macroscopic dimensions in a more general way. From within the bubble Universe, such a process may be perceived as an anisotropic background spacetime - intuitively, the dimensions which open up may give rise to preferred directions. If our 3+1 dimensional observable Universe was born in a process as described above, one may expect to find traces of a preferred direction in cosmological observations. For instance, two directions could be curved like on a sphere, while the third space direction is flat. Using a scenario of gravitational tunneling to fix the initial conditions, I show how the primordial signatures in such an anisotropic Universe can be obtained in principle and work out a particular example in more detail. A small deviation from isotropy also has phenomenological consequences for the later evolution of the Universe. I discuss the most important effects and show that backreaction can be dynamically important. In particular, under certain conditions, a buildup of anisotropic stress in different components of the cosmic fluid can lead to a dynamical isotropization of the total stress-energy tensor. The mechanism is again demonstrated with the help of a physical example.
N2  - Die Vorstellung von einem Multiversum baut unter anderem auf dem Gedanken auf, dass unser beobachtbares Universum in einem Tunnelprozess entstanden sein könnte. Demzufolge hätte es sich dabei von einem ewig währenden, inflationären Vakuumzustand abgekoppelt. Die so entstehende Blase gleicht einer bewohnbaren Insel inmitten eines gewaltigen Ozeans. Moderne Theorien, die als gute Ansätze bezüglich einer fundamentalen und ultraviolett-vollständigen Beschreibung von Elementarteilchen und Gravitation angesehen werden, wie etwa die verschiedenen Ausprägungen der Stringtheorie, legen sogar nahe, dass eine ganze "Landschaft" (im Englischen "landscape") verschiedener Vakuumzustände existiert, und dass Tunnelprozesse einen wichtigen Mechanismus darstellen, mit dem das Universum die Vielzahl an Möglichkeiten erforschen und realisieren kann. Das Tunnelszenario stellt auch einen einzigartigen Rahmen zur Verfügung, um die Anfangsbedingungen unseres beobachtbaren Universums zu untersuchen. Insbesondere besteht damit die Möglichkeit, geringfügige Abweichungen vom kosmologischen Standardmodell in kontrollierter und gut motivierter Art und Weise zu realisieren. Solche Abweichungen stellen eines der zentralen Themen dieser Arbeit dar. Eine wichtige Besonderheit der eben erwähnten Theorien ist die Annahme, dass neben den drei uns bekannten Raumdimensionen eine Vielzahl weiterer existieren könnte. Diese Zusatzdimensionen könnten vor uns verborgen sein, wenn sie kompakt sind und nur extrem mikroskopische Ausmaße haben, so dass sie sich weit unterhalb des Auflösungsvermögens heutiger Experimente befinden. Mechanismen, welche eine solche mikroskopische Gestalt dynamisch erklären könnten, sind in den gängigen Theorien auf ganz natürliche Weise verfügbar. Typischerweise ergibt sich daraus das eben gezeichnete Bild einer ausgedehnten "Landschaft" verschiedener Konfigurationen. Die Vakuumzustände können sich nun auch in der Anzahl und Gestalt der mikroskopischen Dimensionen unterscheiden, da nur die Gesamtzahl an Raumdimensionen von der Theorie vorgegeben wird. Übergänge zwischen diesen Zuständen können also dazu führen, dass neue Raumrichtungen entstehen, indem mikroskopische Dimensionen sich plötzlich aufblähen, alte Raumrichtungen verschwinden, indem sie sich spontan ins Mikroskopische zusammenziehen, oder dass die Konfiguration der Raumdimensionen auf eine noch kompliziertere Art und Weise verändert wird. Aus Sicht des neu entstehenden "Universums" in der Blase führt ein solcher Prozess effektiv zu einem anisotropen Hintergrund - vereinfacht ausgedrückt können die neu entstehenden Raumrichtungen eine Vorzugsrichtung ausweisen. Wenn unser 3+1 dimensionales beobachtbares Universum in einem solchen Prozess entstanden ist, kann man vermuten, dass sich in kosmologischen Beobachtungen Hinweise auf eine Vorzugsrichtung finden lassen müssten. Zum Beispiel könnten zwei Raumrichtungen gekrümmt wie eine Kugeloberfläche sein, während die dritte Richtung keinerlei Krümmung aufweist. Indem ich ein Tunnelszenario benutze, um die Anfangsbedingungen festzulegen, gelingt es mir zu zeigen wie die primordialen Spuren eines solchen anisotropen Universums prinzipiell auszusehen haben und führe eine Berechnung anhand eines speziellen Beispiels explizit vor. Eine geringfügige Abweichung von Isotropie hat ebenfalls phänomenologische Auswirkungen auf die spätere Entwicklung des Universums. Ich gehe auf die wichtigsten Effekte ein und zeige außerdem, dass Rückkopplung dynamisch relevant sein kann. Insbesondere kann sich unter gewissen Voraussetzungen ein Ungleichgewicht der Druckkräfte in verschiedenen Komponenten der "kosmischen Flüssigkeit" aufbauen, das insgesamt zu einer dynamischen Isotropisierung des kollektiven Energie-Impuls-Tensors führt. Dieser Mechanismus wird ebenfalls anhand eines konkreten Beispiels beleuchtet.
KW  - Kosmologie
KW  - Anisotropes Universum
KW  - Quantenkosmologie
KW  - Bianchi-Kosmologie
KW  - Anisotropic Universe
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-65908
ER  - 
TY  - THES
A1  - Englert, Anja
T1  - Chaossynchronisation in Netzwerken mit zeitverzögerten Kopplungen
T1  - Chaos synchronization in networks with time-delayed couplings
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Chaossynchronisation in Netzwerken mit zeitverzögerten Kopplungen. Ein Netzwerk chaotischer Einheiten kann isochron und vollständig synchronisieren, auch wenn der Austausch der Signale einer oder mehreren Verzögerungszeiten unterliegt. In einem Netzwerk identischer Einheiten hat sich als Stabilitätsanalyse die Methode der Master Stability Funktion von Pecora und Carroll etabliert. Diese entspricht für ein Netzwerk gekoppelter iterativer Bernoulli-Abbildungen Polynomen vom Grade der größten Verzögerungszeit. Das Stabilitätsproblem reduziert sich somit auf die Untersuchung der Nullstellen dieser Polynome hinsichtlich ihrer Lage bezüglich des Einheitskreises. Eine solche Untersuchung kann beispielsweise numerisch mit dem Schur-Cohn-Theorem erfolgen, doch auch analytische Ergebnisse lassen sich erzielen. In der vorliegenden Arbeit werden Bernoulli-Netzwerke mit einer oder mehreren zeitverzögerten Kopplungen und/oder Rückkopplungen untersucht. Hierbei werden Aussagen über Teile des Stabilitätsgebietes getroffen, welche unabhängig von den Verzögerungszeiten sind. Des Weiteren werden Aussagen zu Systemen gemacht, welche sehr große Verzögerungszeiten aufweisen. Insbesondere wird gezeigt, dass in einem Bernoulli-Netzwerk keine stabile Chaossynchronisation möglich ist, wenn die vorhandene Verzögerungszeit sehr viel größer ist als die Zeitskala der lokalen Dynamik, bzw. der Lyapunovzeit. Außerdem wird in bestimmten Systemen mit mehreren Verzögerungszeiten anhand von Symmetriebetrachtungen stabile Chaossynchronisation ausgeschlossen, wenn die Verzögerungszeiten in bestimmten Verhältnissen zueinander stehen. So ist in einem doppelt bidirektional gekoppeltem Paar ohne Rückkopplung und mit zwei verschiedenen Verzögerungszeiten stabile Chaossynchronisation nicht möglich, wenn die Verzögerungszeiten in einem Verhältnis von teilerfremden ungeraden ganzen Zahlen zueinander stehen. Es kann zudem Chaossynchronisation ausgeschlossen werden, wenn in einem bipartiten Netzwerk mit zwei großen Verzögerungszeiten zwischen diesen eine kleine Differenz herrscht. Schließlich wird ein selbstkonsistentes Argument vorgestellt, das das Auftreten von Chaossynchronisation durch die Mischung der Signale der einzelnen Einheiten interpretiert und sich unter anderem auf die Teilerfremdheit der Zyklen eines Netzes stützt. Abschließend wird untersucht, ob einige der durch die Bernoulli-Netzwerke gefundenen Ergebnisse sich auf andere chaotische Netzwerke übertragen lassen. Hervorzuheben ist die sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse eines Bernoulli-Netzwerkes mit den Ergebnissen eines gleichartigen Netzwerkes gekoppelter Halbleiterlasergleichungen, sowie die Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen eines Systems von Halbleiterlasern.
N2  - A network consisting of chaotic units can exhibit isochronal and complete synchronisation even if the signals need certain delay times from one unit to another. A common method to analyze the stability of such a synchronization is the master stability function by Pecora and Carroll. For a network of coupled iterative Bernoulli maps the master stability function reduces to the solution of polynoms with degree of the largest delay time. Therefore analyzing the stability means analyzing the roots of these polynomials concerning their value with respect to the unit circle. This can be done numerically by using the Schur-Cohn theorem, but analytic results are possible, as well. In this work Bernoulli networks with one or more time-delayed couplings and/or self-feedbacks are analyzed. Parts of the stability region which are independent of the value of the delay times have been found. Furthermore systems with large time delays have been analyzed. There is no stable chaos synchronization if the delay time is much larger than the internal time scale or the Lyapunov time, respectively. Stable synchronization can be excluded for certain systems with several delay times due to symmetry arguments concerning the ratios between the delay times. For example, a pair which is bidirectionally coupled with two delay times cannot exhibit stable chaos synchronization if these two delay times are in a ratio of relatively prime, odd numbers. Furthermore, chaos synchronization can be excluded for a bipartite network in which two large delay times differ by a small amount. Finally, a self consistent argument is presented which interprets chaos synchronization as a result of mixing signals of each unit in the network and which is supported by results of non-negative matrices concerning relatively prime cycles in a network. The results of the Bernoulli networks are tested on several chaotic networks. There is a very good agreement of the analytic results of Bernoulli networks with networks of coupled semiconductor laser equations as well as a very good agreement with real life experiments of semiconductor laser systems.
KW  - Chaos
KW  - Chaostheorie
KW  - Synchronisierung
KW  - Netzwerk
KW  - Chaos
KW  - Synchronization
KW  - Network
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-65454
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rüger, Michael
T1  - Ein zeitabhängiges, selbstkonsistentes hadronisch-leptonisches Strahlungsmodell zur Modellierung der Multiwellenlängenemission von Blazaren
T1  - A time-dependent, selfconsistent hadronic-leptonic emission modell for the multiwavelength emission of blazars
N2  - Diese Arbeit beschäftigt sich mit Strahlungsprozessen in Blazaren. Bei den Blazaren handelt es sich um eine Unterkategorie der aktiven Galaxienkerne, bei denen die Jetachse in Richtung des Beobachters zeigt. Charakteristisch für die Blazare ist ein Multifrequenzspektrum der Photonen, welches sich vom Radiobereich bis hin zur Gamma-Strahlung mit TeV-Energien erstreckt. Insbesondere der Gamma-Bereich rückt aktuell in den Fokus der Betrachtung mit Experimenten wie zum Beispiel FERMI und MAGIC. Ziel dieser Arbeit ist die Modellierung der auftretenden Strahlungsprozesse und die Beschreibung der Multifrequenzspektren der Blazare mit Hilfe eines hadronisch-leptonischen Modells. Grundlage hierfür ist ein selbstkonsistentes Synchrotron-Selbst-Compton-Modell (SSC), welches zur Beschreibung des Spektrums der Quelle 1 ES 1218+30.4 verwendet wird. Dabei wird die Parameterwahl unterstützt durch eine Abschätzung der Masse des zentralen schwarzen Loches. Das hier behandelte SSC-Modell wird dahingehend untersucht, wie es sich unter Veränderung der Modellparameter verhält. Dabei werden Abhängigkeiten des Photonenspektrums von Änderungsfaktoren der Parameter abgeleitet. Außerdem werden diese Abhängigkeiten in Relation gesetzt und aus dieser Betrachtung ergibt sich die Schlussfolgerung, dass unter der Voraussetzung eines festen Spektralindex der Elektronenverteilung die Wahl eines Parametersatzes zur Modellierung eines Photonenspektrums eindeutig ist. Zur Einführung eines zeitabhängigen, hadronischen Modells wird das SSCModell um die Anwesenheit nichtthermischer Protonen erweitert. Dadurch kann Proton-Synchrotron-Strahlung einen Beitrag im Gamma-Bereich leisten. Außerdem werden durch Proton-Photon-Wechselwirkung Pionen erzeugt. Aus deren Zerfall werden zusammen mit der Paarbildung aus Photon-Photon-Absorption sekundäre Elektronen und Positronen produziert, die wiederum zum Hochenergiespektrum beitragen. Neben den Pionen werden bei der Proton-Photon- Wechselwirkung außerdem noch Neutrinos und Neutronen erzeugt, die einen direkten Einblick in die Emissionsregion erlauben. Das hier vorgestellte hadronische Modell wird auf die Quelle 3C 279 angewandt. Für diese Quelle reicht mit der Detektion im VHE-Bereich der SSCAnsatz nicht aus, um das Photonenspektrum zu beschreiben. Mit dem vorgelegten Modell gelingt die Beschreibung des Spektrums in den SSC-kritischen Bereichen sehr gut. Insbesondere können verschiedene Flusszustände modelliert und allein durch Veränderung der Maximalenergien von Protonen und Elektronen ineinander überführt werden. Diese einfache Möglichkeit der Modellierung der Variabilität der Quelle unterstreicht die Wahl des hadronischen Ansatzes. Somit wird hier ein sehr gutes Werkzeug zur Untersuchung der Emissionsprozesse in Blazaren geliefert. Darüber hinaus ist mit der Abschätzung des Neutrino-Flusses zwar die Detektion von 3C 279 als Punktquelle mit IceCube unwahrscheinlich, jedoch liefert das Modell generell die Möglichkeit im Kontext des Multimessenger-Ansatzes Antworten zu liefern. Im gleichen Kontext wird auch der Beitrag zur kosmischen Strahlung durch entweichende Neutronen untersucht.
N2  - This doctoral thesis discusses the radiative processes of blazars. Blazars are a subcategory of active galactic nuclei, where the jet axis points towards the observer. The typical spectrum of blazars ranges from radio frequencies up to the gamma ray regime at TeV energy. Current experiments like FERMI or MAGIC focus on the observation of gamma rays. Aim of this thesis is the modelling of the radiative processes and the description of the photon spectra of blazars using a lepto-hadronic emission model. It is based on a synchrotron self Compton model (SSC), which is applied to the source 1 ES 1218+30.4. The choice of parameters is supported by an estimation of the mass of the central black hole. It is shown how the SSC model reacts on the variation of the model parameters. The dependencies of the spectrum on the changing factors of the parameters are derived. The examination of these factors leads to the conclusion, that for a fixed spectral index of the electron distribution a particular choice of parameters to model the photon spectrum is unique. To introduce a time-dependent hadronic model the SSC model is extended by the presence of non-thermal protons, which leads to proton synchrotron radiation and proton photon interaction producing pions. Pion decay cascades together with pair creation due to photon photon absorption produce secondary electrons and positrons, which contribute to the high energy spectrum. In addition to that proton photon interaction creates neutrons and neutrinos, which provide a direct insight into the emission region. The presented hadronic model is applied to the source 3C 279. This blazar cannot be modelled by the one-zone SSC approach. The hadronic model solves the problems of the SSC model regarding this source. Different flux states are described by only changing the maximum energies of protons and electrons. This simple approach stresses the choice of the hadronic model to consider 3C 279. With this results we have a powerful tool for the examination of emission processes in blazars. With the estimated neutrino flux no detection as point source by IceCube is expected. However, in general it is possible to deliver answers with this model to the multi-messenger approach. In the same context the contribution of outgoing neutrons to cosmic rays is considered.
KW  - Blazar
KW  - Strahlung
KW  - Mathematisches Modell
KW  - Aktive Galaxienkerne Blazare
KW  - Aktiver galaktischer Kern
KW  - AGN
KW  - blazar
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-56955
ER  - 
TY  - THES
A1  - Tang, Jian
T1  - Phenomenology of Neutrino Oscillations at the Neutrino Factory
T1  - Phänomenologie von Neutrino Oszillationen an der Neutrinofabrik
N2  - We consider the prospects for a neutrino factory measuring mixing angles, the CP violating phase and mass-squared differences by detecting wrong-charge muons arising from the chain $\mu^+\to\nu_e\to\nu_\mu\to\mu^-$ and the right-charge muons coming from the chain $\mu^+\to\bar{\nu}_\mu\to\bar{\nu}_\mu\to\mu^+$ (similar to $\mu^-$ chains), where $\nu_e\to\nu_\mu$ and $\bar{\nu}_\mu\to\bar{\nu}_\mu$ are neutrino oscillation channels through a long baseline. First, we study physics with near detectors and consider the treatment of systematic errors including cross section errors, flux errors, and background uncertainties. We illustrate for which measurements near detectors are required, discuss how many are needed, and what the role of the flux monitoring is. We demonstrate that near detectors are mandatory for the leading atmospheric parameter measurements if the neutrino factory has only one baseline, whereas systematic errors partially cancel if the neutrino factory complex includes the magic baseline. Second, we perform the baseline and energy optimization of the neutrino factory including the latest simulation results from the magnetized iron neutrino detector (MIND). We also consider the impact of $\tau$ decays, generated by appearance channels $\nu_\mu \rightarrow \nu_\tau$ and $\nu_e \rightarrow \nu_\tau$, on the discovery reaches of the mass orderings, the leptonic CP violation, and the non-zero $\theta_{13}$, which we find to be negligible for the considered detector. Third, we make a comparison of a high energy neutrino factory to a low energy neutrino factory and find that they are just two versions of the same experiment optimized for different regions of the parameter space. In addition, we briefly comment on whether it is useful to build the bi-magic baseline at the low energy neutrino factory. Finally, the effects of one additional massive sterile neutrino are discussed in the context of a combined short and long baseline setup. It is found that near detectors can provide the required sensitivity at the LSND-motivated $\Delta m_{41}^2$-range, while some sensitivity can also be obtained in the region of the atmospheric mass splitting introduced by the sterile neutrino from the long baselines.
N2  - Wir prüfen die Aussichten einer Neutrino Factory die Mischungswinkel, die CP-verletzende Phase und die Differenz der Massenquadrate mittels Detektion von Myonen mit falschem Vorzeichen, die bei $\mu^+\to\nu_e\to\nu_\mu\to\mu^-$ und $\mu^+\to\bar{\nu}_\mu\to\bar{\nu}_\mu\to\mu^+$ (vergleichbar mit $\mu^-$), durch $\nu_e\to\nu_\mu$ und $\bar{\nu}_\mu\to\bar{\nu}_\mu$ als Neutrinooszillationen entstehen, zu messen. Als Erstes untersuchen wir die Physik mit Nahdetektoren und überprüfen die Behandlung systematischer Fehler inklusive der Fehler auf dem Wechselwirkungsquerschnitt und auf dem Neutrinofluss sowie Unsicherheiten des experimentellen Signalhintergrundes. Wir erläutern für welche Messungen Nahdetektoren gebraucht werden, diskutieren wieviele dieser Detektoren benötigt werden und welche Rolle die Überwachung des Neutrinosflusses spielt. Wir demonstrieren, dass Nahdetektoren zwingend für Messungen der atmosphärischen Paramter notwendig sind, falls die Neutrino Factory nur eine sogenannte baseline'' besitzt, wohingegen sich die systematischen Fehler partiell aufheben wenn der Neutrino Factory Komplex die magic baseline'' enthält. Als Zweites führen wir die baseline- und Energieoptimierung für die Neutrino Factory inklusive der neusten Simulationsergebnisse für den Neutrinodetektor aus magnetisiertem Eisen (MIND) durch. Au{\ss}erdem betrachten wir den Einfluss von $\tau$-Zerfällen, die durch $\nu_\mu \to \nu_\tau$ oder $\nu_e \to \nu_\tau$ Übergänge erzeugt werden, auf die Massenhierachie, auf die CP-Verletzung und auf den Entdeckungsbereich von $\theta_{13}$, welchen wir im Falle des betrachteten Detektors für vernachlässigbar befinden. Als Drittes stellen wir einen Vergleich der Hochenergie Neutrino Factory mit der Niederenergie Neutrino Factory an und folgern, dass sie nur zwei Versionen des selben Experimentes sind, das jedoch für unterschiedliche Parameterbereiche optimiert wurde. Zusätzlich kommentieren wir kurz, ob es nützlich wäre die bi-magic baseline'' bei einer Niederenergie Neutrino Factory zu bauen. Schlie{\ss} werden die Effekte zusätzlichen sterilen'' Neutrinos im Kontext eines kombinierten Aufbaus mit kurzer und langer baseline diskutiert. Es zeigt sich, dass Nahdetektoren die benötigte Sensitivität in der LSND-motivierten $\Delta m^2_{41}$-Region liefern, während eine gewisse Sensitivität auch mittels der langen baseline im Bereich der atmosphärischen Massenaufspaltung erreicht werden kann, welche durch das sterile Neutrino induziert wurde.
KW  - Neutrinooszillation
KW  - Neutrino
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-66765
ER  - 
TY  - THES
A1  - Simon, Dennis
T1  - Aspects in the fate of primordial vacuum bubbles
N2  - At the present day the idea of cosmological inflation constitutes an important extension of Big Bang theory. Since its appearance in the early 1980’s many physical mechanisms have been worked out that put the inflationary expansion of space that proceeds the Hot Big Bang on a sound theoretical basis. Among the achievements of the theory of inflation are the explanaition of the almost Euclidean geometry of ‘visible’space, the homogeneity of the cosmic background radiation but, in particular, also the tiny inhomogeneity of a relative amplitude of 10−5. In many models of inflation the inflationary phase ends only locally. Hence, there exists the possibility that the inflationary process still goes on in regions beyond our visual horizon. This property is commonly termed ‘eternal inflation’. In the framework of a cosmological scalar fields, eternal inflation can manifest itself in a variety of ways. On the one hand fluctuations of the field, if sufficiently large, can work against the classical trajectory and therefore counteract the end of inflation. In regions where this is the case the accelerated expansion of space continues at a higher rate. In parts of this region the process may replicate itself again and in this way may continue throughout all of time. Space and field are said to reproduce themselves. On the other hand, a mechanism that can occur in addition or independent of the latter, is so called vacuum tunneling. If the potential of the scalar field has several local minima, a semi-classical calculation suggests that within a spherical region, a bubble, the field can tunnel to another state. The respective tunneling rates depend on the potential difference and the shape of the potential between the states. Generally, the tunneling rate is exponentially suppressed, which means that the inflation lasts for a long time before tunneling takes place. The ongoing inflationary process effectively reduces local curvature, anistotropy and inhomogeneity, so that this property is known as the ‘cosmic no-hair conjecture’. For this reason cosmological considerations of the evolution of bubbles thus far almost entirely involved vacuum (de Sitter) backgrounds. However, new insights in the framework of string theory suggest high tunneling rates which allow for the possibility of bubble nucleation in non-vacuum dominated backgrounds. In this case the evolution of the bubble depends on the properties of the background spacetime. A deeper introduction in chapter 4 is followed by the presentation of the Lemaître-Tolman spacetime in chapter 5 which constitutes the background spacetime in the study of the effect of matter and inhomogeneity on the evolution of vacuum bubbles. In chapter 6 we explicitly describe the application of the ‘thin-shell’ formalism and the resulting system of equations. This is succeeded in chapter 7 by the detailed analysis of bubble evolution in various limits of the Lemaître-Tolman spacetime and a Robertson-Walker spacetime with a rapid phase transition. The central observations are that the presence of dust, at a fixed surface energy density, goes along with a smaller nucleation volume and possibly leads to a a collapse of the bubble. In an expanding background, the radially inhomogeneous dust profile is efficiently diluted so that there is essentially no effect on the evolution of the domain wall. This changes in a radially inhomogeneous curvature profile, positive curvature decelerates the expansion of the bubble. Moreover, we point out that the adopted approach does not allow for a treatment of a, physically expected, matter transfer so that the results are to be understood as preliminary under this caveat. In the second part of this thesis we consider potential observable consequences of bubble collisions in the cosmic microwave background radiation. The topological nature of the signal suggests the use of statistics that are well suited to quantify the morphological properties of the temperature fluctuations. In chapter 10 we present Minkowski Functionals (MFs) that exactly provide such statistics. The presented error analysis allows for a higher precision of numerical MFs in comparison to earlier methods. In chapter 12 we present the application of our algorithm to a Gaussian and a collision map. We motivate the expected MFs and extract their numerical counterparts. We find that our least-squares fitting procedure accurately reproduces an underlying signal only when a large number of realizations of maps are averaged over, while for a single WMAP and PLANCK resolution map, only when a highly prominent disk, with |δT| = 2√σG and ϑd = 40◦, we are able to recover the result. This is unfortunate, as it means that MF are intrinsically too noisy to be able to distinguish cold and hot spots in the CMB for small sizes.
N2  - Die Idee der kosmologischen Inflation stellt heute die wichtigste Erweiterung der klassischen Urknalltheorie dar. Seit ihrem Aufkommen in den frühen 80er Jahren sind zahlreiche physikalische Mechanismen bekannt und ausgearbeitet geworden, die die inflationäre Expansion des Raums vor der dem ‘heißen’ Urknall auf eine tragfähige, theoretische Basis stellen. Zu den Errungenschaften der Inflationstheorie zählen unter Anderem die Erklärung der nahezu Euklidischen Geometrie des sichtbaren Raums, die bemerkenswerte Homogenität der kosmischen Hintergrundstrahlung, im Besonderen aber auch die ihr innewohnenden winzigen Unregelmäßigkeiten mit einer relativen Amplitude der Größenordnung 10−5. In vielen Inflationsmodellen endet die Inflation allerdings nur lokal. Demzufolge besteht die Möglichkeit, dass es außerhalb des von uns sichtbaren Raums Gebiete geben kann, in denen der inflationäre Prozess weiterhin stattfindet. Dieser Eigenschaft wird durch den Begriff ‘Ewige Inflation’ Rechnung getragen. Ewige Inflation kann sich im Rahmen der Skalarfeld-Inflation in verschiedenen Formen manifestieren. Zum Einen können die Fluktuationen des Feldes so groß sein, dass sie der klassischen Trajektorie, und damit dem Ende der Inflation, entgegenwirken wirken. In Regionen, in denen das geschieht, setzt sich die beschleunigte Expansion des Raums mit einer höheren Rate weiter fort. In Teilen solcher Regionen mag sich dies wiederholen und der Vorgang auf diese Weise theoretisch bis ins Unendliche andauern. Raum und Feld reproduzieren sich selbst. Eine weitere Möglichkeit, die sowohl unabhängig als auch zusätzlich zur zuvor beschriebenen auftreten kann, ist die des sogenannten Vakuumtunnelns. Wenn das Potential des Skalarfelds mehrere lokale Minima aufweist, so legt eine semi-klassische Rechnung, dass das Feld innerhalb eines sphärischen Gebiets, einer Blase, in einen anderen Zustand tunneln kann. Fortwährende Inflation beseitigt großräumig, effektiv, jegliche Form der Unregelmäßigkeit, d. h. Raumkrümmung, Anisotropie und Inhomogenität, sodass dieser Sachverhalt unter dem Ausdruck ‘cosmic no-hair conjecture’ bekannt ist. Aus diesem Grund waren bisherige Betrachtungen fast aussschließlich der Entwicklung von Blasen in einem Vakuumhintergrund gewidmet. Neue Überlegungen im Rahmen der Stringtheorie erlauben allerdings auch hohe Tunnelraten, sodass die Möglichkeit der Nukleation von Blasen in nicht-vakuumdominierten Hintergründen besteht. Die weitere Entwicklung hängt in diesem Fall von den Eigenschaften des Hintergrunds ab. Nach der Ableitung der Vakuumlösung wird sukzessive auf die Blasenentwicklung in einem statischen Hintergrund, in einem dynamischen, aber homogenen Hintergrund, in einem flachen, inhomogenen Hintergrund, in einem gekrümmten, inhomogenen Hintergrund und in einem homogenen Hintergrund mit Phasenübergang eingegangen. Zu den zentralen Beobachtungen gehört, dass die Präsenz des Staubs, bei fixierter Oberflächendichte, eine Verringerung des Nukleationsvolumens mit sich bringt und dazu führen kann, dass die Blase einen Kollaps beginnt. Das ändert sich in einem radial inhomogenen Krümmungsprofil, positive Raumkrümmung hat einen abbremsenden Effekt auf die Expansion der Blase. Es wird herausgestellt, dass der verwendete Ansatz keine Möglichkeit zur Behandlung eines, physikalisch zu erwartenden, Materietransfers bietet und die damit erzielten Ergebnisse unter diesem Vorbehalt zu verstehen sind. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wird potentiell beobachtbaren Konsequenzen der Kollision zweier Blasen in der kosmischen Hintergrundstrahlung nachgegangen. Die topologische Natur des Signals in der letzten Streufläche legt die Verwendung von Statistiken nahe, die es erlauben, die morphologischen Eigenschaften der Temperaturfluktuationen zu quantifizieren. Diese Statistiken bieten die Minkowski Funktionale (MF), die in Kapitel 10 vorgestellt werden. Dieses wird benutzt um Karten eines Gaussschen Zufallsfeldes zu erzeugen und die entsprechenden MF zu berechnen. Die vorgestellte Fehleranalyse erlaubt eine höhere Präzision der numerischen MF im Vergleich zu bisherigen Methoden. Ein Fit der geringsten quadratischen Abweichung reproduziert die tatsächlichen Parameter nur dann, wenn über eine hohe Anzahl von Realisierungen gemittelt wird, wohingegen die Betrachtung einer einzigen Karte in WMAP bzw. Planck Auflösung nur für “auffällige” Scheiben mit Temperaturunterschied δT = 2√σG und Öffnungswinkel ϑd = 40◦ Übereinstimmung erreicht wird. Dies bedeutet, das MF ein schlechtes ‘Signal zu Rausch’Verhältnis besitzen um heiße oder kalte Scheiben in der kosmischen Hintergrundstrahlung zu erfassen.
KW  - Kosmologie
KW  - Kosmische Hintergrundstrahlung
KW  - Inflationäres Weltall
KW  - Bubble Universes
KW  - Israel Junction Conditions
KW  - Inhomogeneous Cosmological Models
KW  - Minkowski Functionals
KW  - HEALPix
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-67019
ER  -