Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Molekularstrahlepitaxie und Charakterisierung von CdSe und (Cd,Mn)Se-Quantenpunkten (QP) auf ZnSe-Puffer. Die QP werden durch einen thermisch aktivierten 2D-3D Übergang eines ursprünglich zweidimensionalen CdSe/(Cd,Mn)Se-Films erzeugt. Die Mechanismen der QP-Bildung werden in-situ mittels Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen und Atom-Kraft-Mikroskopie (UHV-AFM) studiert. Ex-situ Untersuchungen an vergrabenen QP-Strukturen mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Photolumineszenz (PL) /Magneto-PL ergänzen die in-situ Analyse der CdSe Oberfläche. Die Kombination der Analysemethoden ermöglicht erstmalig den Nachweis, dass mit der thermischen Aktivierung eine Stranski-Krastanov-Morphologie aus CdSe QP, mit einem Kern aus reinem CdSe, auf einem geschlossenen CdSe Film erzeugt werden kann. Die statistische Auswertung im UHV-AFM ergibt eine mittlere QP-Höhe von 1,6 nm, eine QP-Dichte von 1100/µm² sowie einen Durchmesser von unterhalb 10 nm. Aus diesen Parametern lässt sich als oberes Limit des QP-Volumens ein Wert von < 0,15 ML ermitteln. TEM-Messungen ergeben, dass Interdiffusion bei der Bildung der QP sowie während dem Überwachsen von untergeordneter Bedeutung ist. Im UHV-AFM zeigt sich, dass CdSe-QP unter Labormaßstäben morphologisch stabil sind. Über einen Zeitraum von 5 Tagen, sowohl im UHV als auch an Umgebungsluft, sind bei Raumtemperatur keine Reifungserscheinungen der CdSe-QP-Morphologie beobachtbar. Das Studium der Bildungskinetik führt zu der Erkenntnis, dass der 2D-3D Übergang von einem zeitlich instabilen Ausgangszustand abhängig ist und somit kinetisch determiniert. Die experimentellen Befunde deuten darauf hin, dass unmittelbar nach dem Wachstum eine Glättung der Oberfläche auf atomarer Ebene einsetzt. In einem einfachen Modell wird die QP-Bildung als Superposition der Glättung und dem Verhältnis der Wahrscheinlichkeiten des Aufwärtssprungs zum Abwärtssprung zwischen zwei ML-Terrassen beschrieben. Erste Untersuchungen zum Wachstum von (Cd,Mn)Se QP ergeben, dass es mit der thermischen Aktivierung möglich ist bis zu einer Konzentration von ca. 10 % Mn (Cd,Mn)Se QP zu erhalten. Der Einbau des Mn bewirkt eine Reduktion der mittleren QP-Dichte und QP-Höhe. Experimente auf pseudomorphem und relaxiertem ZnSe-Puffer zeigen, dass der entscheidende Einfluss des Mn nicht in der Veränderung der Verspannung liegt, sondern in einer Veränderung der Oberflächendiffusivität. In magneto-optischen Untersuchungen der (Cd,Mn)Se-QP-Strukturen wird eindeutig der Riesen-Zeemaneffekt nachgewiesen. Es werden experimentell effektive g-Faktoren bis zu einem Wert von 220 ermittelt (B = 6T). Der Vergleich mit der Rechnung zeigt, dass das Mn in den QP eingebaut ist. In dieser Arbeit wird das Verständnis der II-VI-QP-Bildung erweitert und eine verbesserte Kontrolle des QP-Ensembles erreicht. Die erzeugten semimagnetischen Strukturen stellen einen Ausgangspunkt für weitergehende optische Experimente dar, an denen in naher Zukunft gezielt einzelne Spins manipuliert und studiert werden können. / In this work CdSe and (Cd,Mn)Se Quantum Dots (QD`s) are grown on ZnSe by molecular beam epitaxy. The QD`s are obtained within a thermicall activated 2D-3D transition of an initially two-dimensional CdSe/(Cd,Mn)Se thin film. The physics behind the 2D-3D transition is investigated in-situ by reflection of high energy electron diffraction and atomic force microscopy (UHV-AFM) measurements. Additionally ex-situ data gained on buried QD structures within Transmission Electron Microscopy (TEM) and Photoluminescence (PL) /Magneto-PL measurements are presented. The study proves for the first time that after the thermal activation a Stranski-Krastanov morphology is established. A statistical evaluation of the QD morphology by UHV-AFM supplies an average QD-height of about 1.6 nm, a QD-density of about 1100/µm² and an upper diameter of about 10 nm. The total QD volume is determined to a value of below 0.15 ML. TEM on overgrown structures reveals QD`s, with a core of pure CdSe, on a closed wetting layer. The data show that interdiffusion is of minor importance for the QD formation as well as during the overgrowth. The stability of the QD morphology is investigated with the UHV-AFM at room temperature. It is shown that the CdSe QD morphology is stable at UHV as well as ambient-air conditions over a time period of 5 days. The experiments demonstrate that CdSe QD`s do not ripen on a laboratory time scale. The investigation of the formation kinetics reveals that the 2D-3D transition is dependent from a unstable precursor state and is therefore determined by kinetics. The experiments indicate that immediately after growth the surface begins to smoothen on an atomar scale. In a simple model the QD formation is described as a superposition of the smoothening and the ratio of upwards and downwards hopping between two ML terraces. First investigations on the growth of (Cd,Mn)Se QD`s show that after the incorporation of up to 10 % Mn semimagnetic QD´s are obtained by the thermal activation. The incorporation of Mn leads to a reduction of the average QD density and QD height. Experiments on pseudomorphic and relaxed ZnSe buffer are compared. It is concluded that strain is not a crucial factor for the QD formation and that probably surface processes like diffusibility of the atomic species play an important role. Magneto-optical investigations of the (Cd,Mn)Se QD structures prove the appearance of the giant-Zeemaneffect. Effective g-values of about 220 have been measured (B = 6T). In a comparison with the calculation the incorporation of Mn into the QD`s is concluded. Within this work the comprehension of the II-VI QD formation is extended and an improved control over the QD morphology is reached. The produced semimagnetic QD structures appear as a starting point for future optical investigations concerning the control of single spins.

Der erste Teil gibt eine kurze Einführung in die Prinzipien und neueren Entwicklungen der String Theorie. Im zweiten Teil leiten wir systematisch die fünf- und vierdimensionalen Wirkungen der heterotischen M-theorie unter Einbeziehung von Fünfbranen her. Zuerst wird die Theorie von Horava und Witten an N einzelne Fünfbranen gekoppelt und auf eine dreidimensionale Calabi-Yau Mannigfaltigkeit kompaktifiziert, wobei beliebig viele Moduli der Kähler Klasse und der komplexen Struktur zugelassen werden. Das führt zu einer fünfdimensionalen geeichten N=1 Supergravitation auf dem Orbifold S^1/Z_2, gekoppelt an vierdimensionale N=1 supersymmetrische Theorien auf N Dreibranen sowie den zwei Grenzflächen, welche an den Orbifoldfixpunkten fixiert sind. Einige Eigenschaften dieser Wirkung werden betrachtet, insbesondere die quaternionische Struktur des von den Hypermultipletskalaren parametrisierten Moduliraums und die Eichung einer Isometrie dieses Raumes. Danach wird eine BPS-Vakuumlösung bestehend aus parallelen Branen konstruiert und die zugehörige vierdimensionale effektive Wirkung hergeleitet. Dazu werden das Kählerpotential aller skalaren Modulifelder sowie die kinetischen Funktionen für die Eichfelder explizit angegeben. Ausserdem werden die vierdimensionalen Superfelder durch die zugehöhrigen fünfdimensionalen Komponentenfelder ausgedrückt. Im nächsten Teil wird die vierdimensionale Wirkung der vorangegangenen Arbeit in einer vereinfachten Form angewandt, wobei nur die geometrisch notwendigen Felder betrachtet werden, und das sind die Metrik, das Dilaton und der T-modulus. Eine einparametrige Schar von vierdimensionalen zeitabhängigen Lösungen wird gefunden und in den fünfdimensionalen Zusammenhang gestellt. Die entsprechenden approximativen fünfdimensionalen Lösungen sind eine Entwicklung zu linearer Ordnung im Kopplungsparameter epsilon, welcher Loopkorrekturen zur vierdimensionalen Theorie angibt. Diese Korrekturen sind durch Anregungen gewisser Felder in der fünften Dimension gegeben und können somit zeitabhängig sein. Es zeigt sich, dass gerade jene zwei Lösungen mit zeitunabhängigen Loopkorrekturen den bekannten exakten fünfdimensionalen separierbaren Lösungen entsprechen. Am Ende wird noch disskutiert was sich durch Einbeziehung einer beweglichen Fünfbrane ändert. Im letzten Teil werden Flopübergänge in der M-theory auf dreidimensionalen Calabi-Yau Mannigfaltigkeiten studiert, inspesondere deren Einfluss auf kosmologische Modelle der fünfdimensionalen N=1 Supergravitation. Das ist eine weitere Anwendung der Wirkung aus dem zweiten Teil dieser Arbeit, nun jedoch im etwas einfacheren Fall der puren M-theorie ohne Grenzflächen oder Fünfbranen, dafür unter Berücksichtigung spezieller Membranenzustände. Insbesondere wird die Wirkung für jene Membranenzustände hergeleitet, welche einem zusätzlichen Hypermultiplet entsprechen, das beim Flopübergang masselos wird. Das Hypermultiplet hat ein Potential mit quadratischen und kubischen Termen, welche von den Kählermoduli abhängen. Die Konstruktion expliziter zeitabhängiger Lösungen zeigt, dass eine Flopübergang dynamisch realisiert werden kann solange das zusätzliche Hypermultiplet nicht mit einbezogen wird. Anregungen dieses Hypermultiplets ändern die Situation und im allgemeinen findet der Flopübergang nicht mehr vollständig statt, statt dessen wird das System in der Übergangsregion stabilisiert. Somit können solche Regionen um Flopübergange im Kähler Moduliraum als dynamisch bevorzugt betrachtet werden. Die Verallgemeinerung dieses Szenarios auf heterotische M-theorie wird kurz disskutiert. / First a short introduction to principles and some recent developments in string theory is given. In a second part the effective action for five- as well as four-dimensional heterotic M-theory in the presence of five-branes is systematically derived from Horava-Witten theory coupled to N separate M5-brane world-volume theories. The five-dimensional theory is obtained by compactification on a Calabi-Yau three-fold, where we allow for an arbitrary number of Kähler and complex structure moduli. This leads to a five-dimensional N=1 gauged supergravity theory on the orbifold S^1/Z_2, coupled to four-dimensional N=1 theories residing on the two orbifold fixed planes and N additional three-branes. We analyze some properties of this action, including the quaternionic structure of the hypermultiplet sector and its relation to the gauged isometry. Further, the multi-domain-wall vacuum solution is given, and the associated four-dimensional effective theory is derived. In particular the Kähler potential and the gauge kinetic functions are determined along with the explicit relations between four-dimensional superfields and five-dimensional component fields. Next, a truncated form of the previously obtained four-dimensional action and its relation to the five-dimensional domain-wall vacuum state are used to study cosmological rolling-radii solutions. The four-dimensional action is reduced to the minimal geometrically necessary field content including gravity, the dilaton and the T-modulus. To this action we find a one-parameter family of time-dependent solutions and relate them to their approximate five-dimensional counterparts. These are new, generally non-separating solutions corresponding to an evolving pair of domain walls. The five-dimensional solutions are computed to leading non-trivial order in the strong coupling expansion parameter which describes loop corrections to the four-dimensional theory. These loop corrections depend on certain field excitations in the fifth dimension and thus generally vary with time. We point out that the two previously discovered exact five-dimensional separable solutions are precisely the special cases for which the loop corrections are time-independent. At the end, changes induced by the presence of a five-brane are discussed. In the last part, we study flop-transitions for pure M-theory on Calabi-Yau three-folds, in particular their influence on cosmology in the context of the effective five-dimensional N=1 supergravity theory. This is a further application of the five-dimensional action obtained earlier, but in the context of pure M-theory without five-branes, and extended to include certain two-brane states. In particular, the two-brane states that correspond to an additional hypermultiplet which becomes massless at the flop-transition is included in the effective action. We find the potential for this hypermultiplet which has quadratic and quartic terms and depends on the Kähler moduli. By constructing explicit cosmological solutions, it is shown that a flop-transition can dynamically happen, as long as the hypermultiplet is set to zero. Taking into account excitations of the hypermultiplet we find that the transition is generally not completed, that is, the system gets stabilized close to the transition region. Regions of the Kähler moduli space close to flop-transitions can therefore be viewed as dynamically preferred. The generalization of the scenario to heterotic M-theory is discussed.

Eine Methode zur Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung (engl. time-dependent Schrödinger equation, TDSE) wurde entwickelt, welche das Verhalten der Elektronenbewegung in Molekülen beschreibt, die ultrakurzen, intensiven Laserpulsen ausgesetzt werden. Die zeitabhängigen elektronischen Wellenfunktionen werden durch eine Superposition von feldfreien Eigenzuständen beschrieben, welche auf zwei Weisen berechnet werden. Im ersten Ansatz , welcher auf Zweielektronen-Systeme wie H$_2$ anwendbar ist, werden die voll korrelierten feldfreien Eigenzustände in voller Dimensionalität in einem Konfigurations-Wechselwirkungs Verfahren (engl. configuration interaction, CI) bestimmt, wobei die Einelektron-Basisfunktionen mit B-Splines beschrieben werden. Im zweiten Verfahren, welches sogar auf größere Moleküle anwendbar ist, werden die feldfreien Eigenzustände in der Näherung eines aktiven Elektrons (engl. single active electron, SAE) mit Verwendung der Dichtefunktionaltheorie (DFT) bestimmt. Im Allgemeinen kann die Methode zum Auffinden der zeitabhängigen Lösung in zwei Schritte, dem Auffinden der feldfreien Eigenzustände und einer Zeitpropagation in Abhängigkeit der Laserpuls-Parameter, unterteilt werden. Die Gültigkeit der SAE Näherung ist überprüft und die Ergebnisse für grund und erste angeregte zustand der Wasserstoff-Molekül werden vorgestellt. Die Ergebnisse für einige größere Moleküle innerhalb der SAE Angleichung werden ebenfalls gezeigt. / A method for solving the time-dependent Schrödinger equation (TDSE) describing the electronic motion of the molecules exposed to very short intense laser pulses has been developed. The time-dependent electronic wavefunction is expanded in terms of a superposition of field-free eigenstates. The field-free eigenstates are calculated in two ways. In the first approach, which is applicable to two electron systems like hydrogen molecule, fully correlated field-free eigenstates are obtained in complete dimensionality using configuration-interaction calculation where the one-electron basis functions are built from B-splines. In the second approach, which is even applicable to larger molecules, the field-free eigenstates are calculated within the single-active-electron (SAE) approximation using density functional theory. In general, the method can be divided into two parts, in the first part the field-free eigenstates are calculated and then in the second part a time propagation for the laser pulse parameters is performed. Using these methods the validity of SAE approximation is tested and the results for the ground and first excited state of hydrogen molecule are presented. The results for some larger molecules within the SAE approximation are also shown.

Ein neuer numerischer ab initio Ansatz wurde entwickelt und zur Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung für zweiatomig Moleküle mit zwei Elektronen (z.B. molekularer Wasserstoff), welche einem intensiven kurzen Laserpuls ausgesetzt sind, angewandt. Die Methode basiert auf der Näherung fester Kernabstände und der nicht-relativistischen Dipolnäherung und beabsichtigt die genaue Beschreibung der beiden korrelierten Elektronen in voller Dimensionalität. Die Methode ist anwendbar für eine große Bandbreite von Laserpulsparamtern und ist in der Lage, Einfachionisationsprozesse sowohl mit wenigen als auch mit vielen Photonen zu beschreiben, sogar im nicht-störungstheoretischen Bereich. Ein entscheidender Vorteil der Methode ist ihre Fähigkeit, die Reaktion von Molekülen mit beliebiger Orientierung der molekularen Achse im Bezug auf das linear polarisierte Laserfeld in starken Feldern zu beschreiben. Dementsprechend berichtet diese Arbeit von der ersten erfolgreichen orientierungsabhängigen Analyse der Multiphotonenionisation von H2, welche mit Hilfe einer numerischen Behandlung in voller Dimensionalität durchgeführt wurde. Neben der Erforschung des Bereichs weniger Photonen wurde eine ausführliche numerische Untersuchung der Ionisation durch ultrakurze frequenzverdoppelte Titan:Saphir-Laserpulse (400 nm) präsentiert. Mit Hilfe einer Serie von Rechnungen für verschiedene Kernabstände wurden die totalen Ionisationsausbeuten für H2 und D2 in ihren Vibrationsgrundzuständen sowohl für parallele als auch für senkrechte Ausrichtung erhalten. Eine weitere Serie von Rechnungen für 800nm Laserpulse wurde benutzt, um ein weitverbreitetes einfaches Interferenzmodel zu falsifizieren. Neben der Diskussion der numerischen ab initio Methode werden in dieser Arbeit verschiedene Aspekte im Bezug auf die Anwendung der Starkfeldnäherung für die Erforschung der Reaktion eines atomaren oder molekularen Systems auf ein intensives Laserfeld betrachtet. / A novel ab initio numerical approach is developed and applied that solves the time-dependent Schrödinger equation describing two-electron diatomic molecules (e.g. molecular hydrogen) exposed to an intense ultrashort laser pulse. The method is based on the fixed-nuclei and the non-relativistic dipole approximations and aims to accurately describe both correlated electrons in full dimensionality. The method is applicable for a wide range of the laser pulse parameters and is able to describe both few-photon and many-photon single ionization processes, also in a non-perturbative regime. A key advantage of the method is its ability to treat the strong-field response of the molecules with arbitrary orientation of the molecular axis with respect to the linear-polarized laser field. Thus, this work reports on the first successful orientation-dependent analysis of the multiphoton ionization of H2 performed by means of a full-dimensional numerical treatment. Besides the investigation of few-photon regime, an extensive numerical study of the ionization by ultrashort frequency-doubled Ti:sapphire laser pulses (400 nm) is presented. Performing a series of calculations for different internuclear separations, the total ionization yields of H2 and D2 in their ground vibrational states are obtained for both parallel and perpendicular orientations. A series of calculations for 800nm laser pulses are used to test a popular simple interference model. Besides the discussion of the ab initio numerical method, this work considers different aspects related to the application of the strong-field approximation (SFA) for investigation of a strong-field response of an atomic and molecular system. Thus, a deep analysis of the gauge problem of SFA is performed and the quasistatic limit of the velocity-gauge SFA ionization rates is derived. The applications of the length gauge SFA are examined and a recently proposed generalized Keldysh theory is criticized.

Drei Botenteilchen koennen benutzt werden, um Informationen ueber Quellen der Kosmischer Strahlung zu erhalten: Photonen, geladene Teilchen und Neutrinos. In dieser Arbeit wird anhand von Beobachtungsdaten und theoretischen Modellen der Zusammenhang zwischen extrem hochenergetischer Gammastrahlung und Neutrinos untersucht. Um die Wahrscheinlichkeit fuer die Entdeckung einer Neutrino-Punktquelle zu erhoehen, wurden neue Ansaetze entwickelt. Zum einen wurde fuer 7 Objekte eine Suche nach Zeit- und Richtungskorrelationen zwischen Neutrinoereignissen, registriert vom AMANDA-II Teleskop am Suedpol, und den von IACT-Teleskopen im Zeitraum 2004-2006 beobachteten Gammastrahlungsausbruechen durchgefuehrt. Zum anderen wurde das selbe AMANDA-II Datensatz analysiert, unter Verwendung eines neuen Algorithmus zur Suche nach Strukturen in der zeitlichen Verteilung von Neutrino-Ereignissen aus einer vordefinierten Richtungen. Keine der Analysen fuehrte zur Entdeckung einer Neutrino-Punktquelle. Die zeitlich lueckenhafte Aufzeichnung von TeV Gammastrahlungs Daten, stellt eine der schwerwiegendste Einschraenkung bei Korrelationsstudien dar. Dieses Problem wurde in der vorliegenden Arbeit durch die Analyse historischer IACT Daten und neuer Ergebnisse des MAGIC AGN Beobachtungsprogramms beruecksichtigt. Anhand dieser Daten konnte eine statistische Analyse der verschiedenen Emissionszustaende zweier extragalaktischer Gammastrahlungsquellen durchgefuehrt werden. Aufgrund einer zu geringen Statistik der Messungen konnten jedoch keine endgueltigen Schluesse ueber die Wahrscheinlichkeit, diese Quellen in einem Emmisionszustand oberhalb eines gewissen Schwellenwertes anzufinden, gezogen werden. Fuer die zwei Quellen, Mrk501 und 1ES1959+650, werden hier die Ergebnisse des MAGIC AGN Beobachtungsprogramms von 2007 bis 2008 vorgestellt. Beide Quellen wurden in einem aehnlich niedrigen Zustand vorgefunden und wiesen maessige Variabilitaet und keine auffaelligen Ausbrueche auf. / Three messengers can be used to extract information about the sources of cosmic rays: photons, charged particles and neutrinos. In this work the connection between the TeV gamma-rays and neutrinos is investigated in the context of recent observations and theoretical models. In order to increase the probability of detecting a neutrino point source two new approaches were developed. First, a correlation study of possible time and directional coincidences of neutrino events, detected by the AMANDA-II telescope at the South Pole, and gamma-ray flares, observed by the Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes in the years 2004-2006, was performed for 7 objects. Secondly, the same AMANDA-II data set was analyzed using a new algorithm which looks for structures in the time distribution of the neutrino events from pre-defined directions. None of the analysis resulted in a detection of a neutrino point source. The sparse time and flux state coverage of the TeV gamma-ray data is one of the most serious issues connected with any correlation study involving photons from the high energy range. This problem was addressed in this work by an analysis of historical gamma-ray data and of the recently obtained results from the MAGIC AGN monitoring program. Based on this data a statistical analysis of different emission states of two extragalactic TeV gamma-ray sources, was performed. Due to still low flux statistics, no final conclusions concerning the probability of finding those sources in a flux state above a certain threshold can be made. The results of the MAGIC AGN monitoring program from the observational season 2007/2008 are presented here, for two sources: Mrk501 and 1ES1959+650. Both sources were found in a similarly low state and show moderate variability with no prominent flares. Since a part of the 2008 monitoring data of Mrk501 was collected during a multiwavelength campaign a modeling of its broad-band Spectral Energy Distribution is also discussed.

Der Kompakte Linearbeschleuniger CLIC, ist ein Konzept für einen zukünftigen Elektron– Positron Beschleuniger mit einer Schwerpunktsenergie von 3 TeV. Die hohen Ladungsdichten, verursacht durch kleine Strahlgrößen, und die hohe Strahlenergie am CLIC, führen zur Produktion einer großen Menge von Teilchen durch Strahl-Strahl-Wechselwirkungen. Ein großer Teil dieser Teilchen wird den Detektor ohne Wechselwirkung verlassen, aber eine signifikante Menge Energie wird dennoch im Vorwärtsbereich des Detektors deponiert. Dadurch werden Sekundärteilchen erzeugt, von denen Einige Untergrund im Detektor verursachen werden. Es werden auch einige Teilchen mit inhärent großem Polarwinkel erzeugt, die direkt Untergrund in den Spurdetektoren und Kalorimetern verursachen können. Die Hauptursache von Untergrund im Detektor, entweder direkt oder durch Sekundärteilchen, sind inkohärente e+e− Paare und Teilchen aus hadronischen Zwei-Photon Ereignissen. Die Untergrund- und Strahlungspegel im Detektor müssen bestimmt werden, um zu untersuchen, ob ein Detektor mit den Untergrundbedingungen bei CLIC zurechtkommen kann. Mit Hilfe von Simulation der inkohärenten Paare in dem auf GEANT4 basierendem Programm MOKKA, wird die Geometrie eines auf Detektors für CLIC optimiert um den Untergrund im Vertexdetektor zu minimieren. In diesem optimiertem Detektor werden die Untergrund- und Strahlungspegel durch inkohärente e+e− Paare und hadronischen Zwei-Photon Ereignissen bestimmt. Des Weiteren wird die Möglichkeit untersucht, ob Schauer von hochenergetischen Elektron bei kleinen Polarwinkeln im BeamCal zu identifizieren sind. / The high charge density—due to small beam sizes—and the high energy of the proposed CLIC concept for a linear electron–positron collider with a centre-of-mass energy of up to 3 TeV lead to the production of a large number of particles through beam-beam interactions at the interaction point during every bunch crossing (BX). A large fraction of these particles safely leaves the detector. A still significant amount of energy will be deposited in the forward region nonetheless, which will produce secondary particles able to cause background in the detector. Furthermore, some particles will be created with large polar angles and directly cause background in the tracking detectors and calorimeters. The main sources of background in the detector, either directly or indirectly, are the incoherent e+e− pairs and the particles from gamma gamma to hadron events. The background and radiation levels in the detector have to be estimated, to study if a detector is feasible, that can handle the Compact Linear Collider (CLIC) background conditions. Based on full detector simulations of incoherent e+e− pairs with the GEANT4 based MOKKA program, the detector geometry of a CLIC detector is optimised to minimise the background in the vertex detector. Following the optimisation of the geometry, the background and radiation levels for incoherent pairs and gamma gamma to hadron events are estimated. The possibility of identifying high energy electron showers with the most forward calorimeter, the BeamCal, is investigated.

Im Rahmen dieser Arbeit werden Untersuchungen der Spinrelaxation in epitaktischen GaN-Schichten mit unterschiedlichen Donatorkonzentrationen und Versetzungsdichten mit Hilfe spin- und zeitaufgelöster differentieller Reflektanzspektroskopie präsentiert. Dabei wurden die optischen Anregungsbedingungen sehr sorgfältig gewählt. Neben der genauen Abstimmung der Anregungsenergie, unterstützt durch die Modellierung der differentiellen Reflektanz, wurden insbesondere spektral schmale Laserpulse verwendet. Diese erlauben eine selektive Anregung der untersuchten Übergänge. Es wurden Spinlebensdauern von 30 bis 170~ps bei tiefen Temperaturen für das freie A-Exziton bestimmt. In der Nähe des Metall-Isolator-Übergangs ließ sich eine langsamere Spinrelaxation als für schwächer dotierte Proben nachweisen. Die längsten beobachteten Spinrelaxationszeiten zeigen freistehende GaN-Schichten hoher Materialqualität mit sehr geringen Versetzungsdichten. In der Literatur besteht eine kategorische Unterteilung der Ergebnisse in lange elektronische Spinlebensdauern bis in den Nanosekundenbereich, erhalten mit Kerr-Messungen, und extrem kurze exzitonische Spinrelaxation in Reflektanz-Experimenten im (Sub-)Pikosenkundenbereich. Dieses Bild wird hier nicht bestätigt. Die beobachteten Spinrelaxationszeiten liegen eineinhalb bis zweieinhalb Größenordnungen über Ergebnissen, von denen bisher mit der hier verwendeten Methode berichtet wurde. Es wird gezeigt, dass die Beobachtungen extrem kurzer Spinrelaxationszeiten an anderer Stelle eine Folge der optischen Anregungsbedingungen sind. Die Verwendung sehr kurzer und damit spektral breiter Laserpulse, die eine selektive Exziton-Anregung verbieten, führt zu einem deutlich anderen zeitlichen Verhalten und stark verfälschten Ergebnissen. Diese Beobachtung löst den scheinbaren Widerspruch zwischen den beiden Ergebnisgruppen in der Literatur auf und bildet die Grundlage für weiterführende Untersuchungen. / In this work, an investigation of spin relaxation in GaN epitaxial layers with different doping concentrations and dislocation densities is presented. The measurements were carried out by the means of spin- and time-resolved differential reflectance spectroscopy. The conditions of optical excitation were chosen with special care. In particular, spectrally narrow laser pulses were used to achieve selective excitation of the examined transitions in addition to the precise adjustment of the excitation energy, supported by the modeling of the differential reflectance. The spin relaxation times obtained for the free A exciton at low temperatures are in the range of 30 to 170 ps. In the proximity of the metal insulator transition, a slower spin relaxation was observed than for lower doping concentrations. The longest spin relaxation times were found in high quality, free-standing GaN layers with very low dislocation densities. Existing results in the literature can be strictly grouped into long electronic spin lifetimes of up to a few nanoseconds, obtained with Kerr rotation, and extremely short spin relaxation in the (sub)picosecond range, measured with reflectance experiments. This picture cannot be confirmed here. The spin relaxation times observed here lie 1.5 to 2.5 orders of magnitude above the values previously reported using the same experimental method. It is shown that the instances of extremely fast spin relaxation are caused by the properties of the optical excitation. The use of ultra-short and thus spectrally broad laser pulses, which prohibits the selective excitation of excitons, leads to a significantly different temporal behavior and strongly distorted results. This finding elucidates the apparent conflict between the two groups of results and forms the basis for further investigations.

Diese Dissertation beschreibt die Messung des Wirkungquerschnitts für die Produktion von ttbb in Protonkollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von √s = 8 TeV. Der verwendete Datensatz entspricht einer integrierten Luminosität von 20.3/fb. Der Wirkungsquerschnitt wurde aus der Anzahl der Signalereignisse bestimmt, die durch harte Schnitte insbesondere auf genau 4 identifizierten b-jets, selektiert wurden, was zu einer hohen Reinheit des Signals führt. Bei der Messung wurden die präzisesten Kalibrierungen von der Jet-Energieskala und der b-jet Effizienz benutzt. Die Messung wurde in einem Referenzphasenraum durchgeführt, der daraufhin optimiert wurde, die Abhängigkeit von der Modellierung zu minimisieren. Der gemessene Wirkungsquerschnitt beträgt 18.9 ± 3.5 (stat)+5.6 (sys) ± 0.6 (Lumi) fb oder, nachdem der Beitrag von ttH(bb) und ttZ(bb) abgezogen wurde: 17.8 ± 3.5 (stat)+5.9 (sys) ± 0.6 (Lumi) fb. Das Ergebnis wurde mit einer Vielzahl von theoretischen Vorhersagen verglichen, einschließlich NLO-Berechnungen mit Partonschauern und einer Reihe von Modellen die sich in der Beschreibung der Gluon Spaltung unterscheiden. Es wurde gezeigt, dass das exstremste Model den Wirkungsquerschnitt überschätzt und dass die Messung die Vorhersagen bevorzugt, die mit einer niedrigen Renormierungs- und Faktorisierungsskala, berechnet wurden. / This thesis presents the measurement of the ttbb production cross-section, using a dataset of 20.3/fb of pp collisions collected with the ATLAS detector at 8 TeV. The measurement is based on a cut-and-count method, using a sample of events with exactly four b-tagged jets, which is shown to have a high purity in signal events. The measurement exploits the most precise jet energy scale and b-tagging calibrations and is performed in a fiducial phase space that is designed to minimize the model dependence of the measurement. The fiducial cross-section is measured to be 18.9 ± 3.5 (stat)+5.6 (sys) ± 0.6 (Lumi) fb or subtracting the contribution from ttH(bb) and ttZ(bb) final states, 17.8 ± 3.5 (stat)+5.9 (sys) ± 0.6 (Lumi) fb. The result is compared with a multitude of theoretical predictions, including different NLO calculations matched to a parton shower, which constitute the most precise predictions available to date, as well as with a series of models that differ in the description of the gluon splitting to b-quarks. It is shown that the most extreme gluon splitting model overestimates the observed rate of ttbb production and that the measurement favors calculations performed with renormalization/factorization scales which are softer than the scales usually employed in similar calculations.

Erste Anzeichen für die Existenz von Dunkler Materie wurden 1933 entdeckt. Der Astrophysiker Fritz Zwicky beobachtete die Geschwindigkeitsverteilung im Coma Cluster und fand dabei heraus, dass 400 mal mehr Materie im Galaxie Haufen sein muss, damit dieser gravitativ gebunden sein kann oder der Galaxie Haufen würde sich aufösen. Trotz erheblicher Bemühungen über die letzten 80 Jahre ist nicht viel über Dunkle Materie bekannt. Das einzige was man weiÿ ist, dass Dunkle Materie gravitativ aber nicht elektromagnetisch wechselwirkt und Dunkle Materie stellt den gröÿten Bestandteil der Materie im Universum da. Doch derzeitige Experimente die nach Dunkler Materie suchen, sowohl direkte Suchen als auch indirekte, beginnen sensitiv genug zu werden um interessante Parameterbereiche von Dunkle Materie Kandidaten zu untersuchen wie das leichteste Super-symmetrische Teilchen, was bedeutet, dass die Entdeckung von Dunkler Materie in der nahen Zukunft sein könnte. In dieser Arbeit wird eine Signalsummierung von H.E.S.S. Zwerg Galaxien Daten durchgeführt und obere Ausschlussgrenzen berechnet. Weiterhin wird die Leistung einer Dunklen Materie Suche im galaktischen Zentrum durch CTA präsentiert für verschiedene mögliche Teleskop Anordnungen und verschiedene Annihilation Kanäle. Die Ergebnisse werden zeigen, dass CTA in der Lage sein wird geschwindigkeitsgemittelte Annihilations Wirkungsquerschnitte von 3 * 10^-26 cm^3s^1 und geringer, der geschwindigkeitsgemittelte Annihilations Wirkungsquerschnitt der für schwach wechselwirkende Dunkle Materie erwartet wird, in 100 h zu erreichen. Diese Beobachtungszeit kann innerhalb von ein bis zwei Jahren erreicht werden. / First indications for the existence of Dark Matter appeared in 1933. The astrophysicist Fritz Zwicky observed the velocity dispersion of the Coma Cluster and found out that 400 times the visible mass must be contained in the galaxy cluster or the cluster could not be gravitationally bound and would disperse.Despite extensive efforts over the last 80 years not much is known about Dark Matter. The facts known are that Dark Matter interacts via gravitation, does not interact electromagneticly and is the main constituent of matter. But current experiment searching for Dark Matter directly and indirectly begin to reach sensitivities that can probe interesting parameter spaces for Dark Matter candidates like the lightest supersymmetric particle, meaning the first Dark Matter detections could happen in the near future.In this thesis a dwarf stacking analysis for Dark Matter signal search using H.E.S.S. data is performed and a upper limit is calculated. Furthermore the prospect for a Dark Matter search with CTA in the galactic center region of the Milky Way is presented for different candidate arrays and different annihilation channels. The results will show that CTA will be able to reach velocity annihilation below 3 *10^-26 cm^3s^-1, the velocity annihilation crosssection expected for a weakly interacting Dark Matter particle, within 100 h of observation which can reasonably be acquired within one to two years.

Die vorliegende Arbeit behandelt die radiometrische Nutzung von Wellenlängenschiebern an Elektronenspeicherringen. Die grundsätzlichen Aspekte der Radiometrie, der technischen Voraussetzungen und des Einflusses von Wellenlängenschiebern auf den Speicherring werden am Beispiel eines bei BESSY installierten Gerätes aufgezeigt. Ein Großteil der Rechnungen wurden mit dem Programm WAVE durchgeführt, das im Rahmen der Arbeit entwickelt wurde. WAVE erlaubt die Berechnung der Synchrotronstrahlung von Wellenlängenschiebern mit einer relativen Unsicherheit von 1/100000. Maschinenphysikalische Eigenschaften eines Wellenlängenschiebers und eine Erzeugenden-Funktion für symplektische Tracking-Rechnungen können ebenfalls mit WAVE berechnet werden. Letztere wurden in den Tracking-Code BETA implementiert. Damit lassen sich die Einflüsse von Insertion Devices auf die dynamische Apertur und die Emittanz des Speicherringes untersuchen. Die Ergebnisse dieser Studien führten zum Konzept alternierender High- und Low-Beta-Sektionen, die den Betrieb supraleitender Insertion Devices bei BESSY-II ohne signifikante Störung der Speicherringoptik ermöglichen. Um auch die experimentelle Seite der Radiometrie an Wellenlängenschiebern zu untersuchen, wurde ein Programm auf der Basis des Monte-Carlo-Codes GEANT4 entwickelt. Es erlaubt die Simulation der radiometrischen Messung und der Absorptionseigenschaften des Detektors. Mit den entwickelten Programmen wurden erste radiometrische Messungen der PTB analysiert. Ein Vergleich zwischen Messungen und Rechnung zeigt eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit Abweichungen von ca. fünf Prozent für Messungen im Energiebereich zwischen 40 keV und 120 keV hinter einem 1-mm-Kupferfilter. Eine bessere Übereinstimmung wurde im Bereich von 20 - 80 keV ohne Kupferfilter erzielt. In diesem Fall stimmen die gemessenen Daten im Rahmen der systematischen Unsicherheiten von zwei Prozent mit den Rechnungen überein. / Subject of this thesis are the operation of wave-length shifters at electron storage rings and their use in radiometry. The basic aspects of the radiometry, the technical requirements, the influence of wave-length shifters on the storage ring, and results of first measurements are presented for a device installed at BESSY. Most of the calculations are carried out by the program WAVE, which has been developed within this thesis. WAVE allows to calculate the synchrotron radiation spectra of wave-length shifters within an relative uncertainty of 1/100000. The properties of wave-length shifters in terms of accelerator physics as well as a generating function for symplectic tracking calculations can also be calculated by WAVE. The later was implemented in the tracking code BETA to investigate the influence of insertion devices on the dynamic aperture and emittance of the storage ring. These studies led to the concept of alternating low- and high-beta-sections at BESSY-II, which allow to operate superconducting insertion devices without a significant distortion of the magnetic optics. To investigate the experimentel aspects of the radiometry at wave-length shifters, a program based on the Monte-Carlo-code GEANT4 has been developed. It allows to simulate the radiometrical measurements and the absorption properties of detektors. With the developed codes first radiometrical measurements by the PTB have been analysed. A comparision of measurements and calculations show a reasonable agreement with deviations of about five percent in the spectral range of 40 - 60 keV behind a 1-mm-Cu filter. A better agreement was found between 20 keV and 80 keV without Cu filter. In this case the measured data agreed within a systematic uncertainty of two percent with the results of the calculations.