Es werden die Eigenschaften von Driftwellen untersucht, welche an der rotierenden magnetisierten Plasmasäule des PSI-1/2 beobachtet wurden. Ihre parallelen Wellenzahlen sind sehr klein, sie besitzen eine nahezu lineare azimutale Dispersionsrelation, ihre azimutale Phasengeschwindigkeit ist etwa gleich der azimutalen Ionendriftgeschwindigkeit und die Potentialfluktuationen eilen den Dichtefluktuationen um etwa Pi hinterher. Deshalb können sie als Ionendriftwellen bezeichnet werden. Alle zugehörigen Messungen wurden mit Langmuirsonden, Spektrometern und schnellen CCD-Kameras durchgeführt. Ein einfaches analytisches Modell, welches die Potential- und Dichteverteilung der Ionendriftwelle beschreibt, offenbart den zugrundeliegenden Instabilitätsmechanismus. Weiterhin wird eine Klassifikation der beobachteten Ionendriftinstabilität in einem Übersichtsschema der bekannten Driftinstabilitäten gegeben. Abschließend wurden die parallele und senkrechte Teilchendiffusion untersucht. Während der gemessene parallele Diffusionskoeffizient sehr gut mit den theoretischen Vorstellungen übereinstimmt, kann die beobachtete Senkrechtdiffusion nicht allein durch die klassische Diffusion erklärt werden. Email: sok@ipp.mpg.de / The properties of drift waves observed in the rotating magnetized plasma column of the PSI-1/2 will be shown. Their parallel wave numbers are very small, their azimuthal dispersion relation is approximately linear, their resultant azimuthal phase velocity is nearly equal to the azimuthal ion drift velocity, and the potential fluctuations always lag behind the density fluctuations with a phase shift of approximately Pi. Therefore, they can be identified as ion drift waves. All corresponding measurements were performed with Langmuir-probes, spectrometers and fast CCD-cameras. A simple analytical model, describing the potential- and density distribution of the ion drift wave, shows the underlying mechanism of the instability. Furthermore, a classification of the observed ion drift instability is given, by referring to a survey scheme summarizing all known drift instabilities. Finally, the parallel and perpendicular particle diffusion were investigated. While the measured parallel diffusion coefficient is in a good agreement with the theory, the observed perpendicular diffusion can not be described with the classical diffusion alone. Email: sok@ipp.mpg.de

Eine Reihe fundamentaler Problemstellungen setzt die genaue Kenntnis der Erdbeschleunigung g voraus, z.B. die Neudefinition des Kilogramms im laufenden Watt-Waage-Projekt. Des Weiteren sind Gravitationsmessungen ein herausragendes Werkzeug der geophysikalischen Forschung, machen sie doch Phänomene vom oberen Erdreich bis hinab in den Erdkern zugänglich. Für Absolutmessungen geeignete Quanten-Sensoren mit höchster Präzision sind deshalb Gegenstand aktueller Entwicklungen. Diese Arbeit beschreibt die Planung und Implementierung eines solchen Sensors, der für eine überlegene absolute Genauigkeit von fünf Teilen in 10^10, zu erreichen in Messungen von 24 h, ausgelegt ist. Ein Merkmal, das dieses Instrument vor früheren Entwicklungen auszeichnet, ist seine Mobilität, die Anwendungen im Feld sowie Vergleichsmessungen mit anderen Gravimetern ermöglicht. Die quantenmechanische Wellennatur von (Rubidium-) Atomen wird genutzt, um durch kohärente Teilung, Reflexion und Wiedervereinigung der sie konstituierenden Wellenpakete mit Hilfe von Lichtpulsen ein Materiewelleninterferometer darzustellen. Auf ein Ensemble lasergekühlter Atome im freien Fall angewandt, kann deren Empfindlichkeit auf Inertialkräfte genutzt werden, um hochsensible Messungen der auftretenden Beschleunigungen zu erreichen. Eine Messpräzision von 160 nm s^(-2) / sqrt(Hz) wird demonstriert, die ausreicht, um g in 15 h mit einer statistischen Ungewissheit von 0.8 nm s^(-2) zu bestimmen; dies ist um einen Faktor acht besser, als mit den besten klassischen Absolutgravimetern üblich. Ein Vergleich mit dem Deutschen Schweregrundnetz ergibt eine Abweichung von 260 nm s^(-2) bei einer Ungewissheit von 520 nm s^(-2) in den systematischen Einflüssen. Deren wahrscheinliche Ursachen sowie geeignete Gegenmaßnahmen werden identifiziert. / Precise measurements of Earth''s gravitational acceleration $g$ are important for a range of fundamental problems - e.g. the Watt balance as an approach for a new definition of the kilogram - and a great tool to investigate geophysical phenomena reaching from the topmost layers of soil to the very core of our planet. Recently, research efforts have been made to develop dedicated quantum sensors capable of such measurements with very high precision and accuracy. This thesis describes the design and implementation of such a sensor, aiming at a superior accuracy of 0.5 ppb, resolvable in measurements of 24 h. A feature distinguishing this device from previous work is its mobility, allowing for comparison with other state-of-the-art instruments, and for applications in field use in various locations. Rubidium atoms are laser-cooled and launched on a free-fall trajectory. Exploiting the wave nature of quantum particles, coherent manipulation with light pulses is used to split, reflect and recombine the atoms'' wave-packets. The resulting matter-wave interferometer is highly susceptible to inertial forces and allows for sensitive measurements of accelerations. Inertial sensing with a precision of 160 nm s^(-2) / sqrt(Hz) was demonstrated, resulting in a measurement of g with a statistical uncertainty of 0.8 nm s^(-2) in 15 h, surpassing a conventional state-of-the-art absolute gravimeter by a factor of eight. Comparison with the German gravity reference net revealed a discrepancy of 260 nm s^(-2), well covered by the combined systematic uncertainties of 520 nm s^(-2). Likely causes for this deviation are identified and suitable countermeasures are proposed.

Es wird ein "off-axis" Aufbau zur digitalholographischen Mikroskopie in Durchlicht- und Auflichtanordnung vorgestellt, der gleichzeitig hoch aufgelöste "full-field" Amplituden- und quantitative Phasenkontrastmikroskopie ermöglicht. Dabei werden verschiedene Algorithmen zur numerischen Rekonstruktion der komplexen Objektwelle bzgl. ihrer Eignung für die mikroskopische Anordnung miteinander verglichen. Durch Kombination eines beugungsfreien räumlichen Phasenschiebeverfahrens, das die Rekonstruktion ohne "Twin-Image" und nullte Beugungsordnung ermöglicht, und der Auswertung des Fresnel-Kirchhoff''schen Beugungsintegrals mit der Faltungsmethode werden die besten Ergebnisse erzielt. Die gleichzeitige Rekonstruktion der Amplitude und der Phase der Objektwelle aus einem einzigen Hologramm erfordert die mathematische Beschreibung der räumlichen Phasenverteilung in der Hologrammebene. Zur Bestimmung der Modellparameter wurde ein effizienter Algorithmus entwickelt und hinsichtlich seiner Genauigkeit getestet. Darüber hinaus wurde der Zusammenhang zwischen axialer Probenposition und dem Rekonstruktionsabstand, dessen Kenntnis zur quantitativen Auswertung und für eine rein numerische Fokussierung notwendig ist, hergeleitet. Anhand von Untersuchungen an technischen Objekten werden die laterale Auflösung und die Phasenauflösung des Systems quantifiziert und weitere experimentelle Parameter optimiert. Transparente biologische Proben, wie lebende Zellen, werden in Durchlichtanordnung analysiert. Dabei ist zur Bestimmung der Zelldicke die Kenntnis der Brechungsindizes von Zelle und Medium erforderlich. Hierfür wird ein experimentelles Verfahren vorgestellt, das die Abschätzung des integralen Brechungsindexes von Einzelzellen anhand ihrer rekonstruierten räumlichen Phasenverteilung ermöglicht. Exemplarisch wird Zelldifferenzierung aufgrund morphologischer Eigenschaften nachgewiesen und es werden Ergebnisse dynamischer Untersuchungen an lebenden Zellen gezeigt und diskutiert. / An off-axis setup for digital holographic microscopy in incident and transmission light arrangement for simultaneous high resolution full field amplitude and quantitative phase contrast microscopy is presented. Different kinds of algorithms for numerical reconstruction of the complex object wave are compared concerning their applicability to the microscopy arrangement. By combining a non-diffractive spatial phase shifting algorithm that performs reconstruction without the disturbing terms twin image and zero order with the numerical evaluation of the Fresnel-Kirchhoff diffraction integral by a convolution method we achieve best results. The simultaneous reconstruction of the object wave''s amplitude and phase from a single hologram requires a mathematical model of the spatial phase distribution within the hologram plane. An efficient numerical algorithm has been developed for determining the model''s parameters automatically and tested concerning its accuracy. Furthermore, the relation between the axial position of the object and the distance of reconstruction which is required for the quantitative evaluation of the reconstructed images and the application of a pure numerical focus is derived. Technical objects were used to quantify the lateral resolution and the phase resolution of the system and to optimize several parameters of the setup. Biological probes such as living cells are analyzed in transmission light arrangement. As a result the knowledge of the refractive index of the medium and the cell is required to derive the cell''s thickness from the reconstructed phase. Thus a special experimental method for the approximation of the integral refractive index of single cells from the reconstructed phase has been developed. Finally results of cell differentiation by morphological varieties as well as results of stimulated dynamic morphological changes are presented and discussed.

In dieser Arbeit werden elektrodynamische Untersuchungen von diffraktiven Röntgenoptiken mit hohen Aspektverhältnissen - sog. Volumenzonenplatten - für hochauflösende Röntgenmikroskopie im Photonenenergiebereich von 0.1-10 keV behandelt. Des Weiteren werden Verfahren zur Realisierung solcher Optiken dargestellt. Das Auflösungsvermögen von Röntgenmikroskopen ist weitgehend durch die numerische Apertur der verwendeten Objektive bestimmt. Die Apertur hängt von der äußeren Zonenbreite der Zonenplatte und der gewählten Beugungsordnung ab. Eine Auflösungssteigerung kann nur durch Verringerung der äußeren Zonenbreiten oder Abbildung in hohen Ordnungen erzielt werden. Neben hoher Ortsauflösung ist ein hinreichender Beugungswirkungsgrad die Grundlage für röntgenmikroskopische Abbildungen. Elektrodynamische Rechnungen zeigen, dass geneigte Zonenstrukturen mit hohen Aspektverhältnissen zum signifikanten Anstieg der Effizienz in hohen Beugungsordnungen führen. Diese Volumenbeugungseffekte an Zonenplatten werden mit Hilfe der rigorosen Theorie gekoppelter Wellen untersucht. Praktisch können dreidimensionale, geneigte Nanostrukturen aufgrund der extremen nanotechnologischen Anforderungen nur durch Approximierung des Neigungswinkels realisiert werden. Zur Herstellung von Zonenplatten mit hohen Aspektverhältnissen und geneigten Zonen wird ein sog. Stack-Prozess eingeführt, der auf der Überlagerung von einzelnen Zonenplattenlagen basiert. Um den Neigungswinkel der Zonen anzunähern, werden die Zonenradien dabei mit jeder Lage verringert. Die erfolgreiche Realisierung der erforderlichen Nanotechnologien führt erstmalig zur Herstellung von Multi-Lagen-Zonenplatten mit minimalen Zonenbreiten bis zu 25 nm. Multi-Lagen- und Volumenzonenplatten bieten zukünftig das Potential für gesteigerte Auflösungsvermögen im sub-10 nm Bereich für die Mikroskopie im weichen Röntgenbereich und für die Fokussierung von harter Röntgenstrahlung auf bis zu 20 nm bei gleichzeitig hohen Beugungseffizienzen. / In this thesis, electrodynamical calculations of diffractive x-ray optics with high aspect ratios – so-called volume zone plates – for high resolution x-ray microscopy in the photon energy range from 0.1 - 10 keV are presented. In addition, methods for the realization of this optics are described. The resolution of an x-ray microscope is limited by the numerical aperture of the objective. Thereby the aperture depends on the outermost zone width of the zone plate and the diffraction order which is used for imaging. Hence, the resolution can only be increased by decreasing the minimum zone width or imaging in high orders of diffraction. Besides the resolving power, the diffraction efficiency needs to be sufficiently high for zone plate based x-ray microscopy. Electrodynamical calculations show that tilted zone structures with high aspect ratios significantly increase the diffraction efficiency in selected high orders. These volume diffraction effects on zone plates were investigated by the rigorous coupled wave theory. Due to very high nanotechnological requirements, such three-dimensional, tilted nanostructures can only be realized by multiple-step zone plates. For the fabrication of zone plates with high aspect ratios and tilted zones the so-called stack process is introduced in this thesis, which is based on a superposition of single zone plate layers. For an approximation of the tilt angle of the structures the zone radii are thereby decreased with each layer. For the first time multilayer zone plates with minimum zone widths down to 25 nm were fabricated by the successful realization of the stack process in this thesis. In the future, multilayer and volume zone plates have the potential for an increased spatial resolution in the sub-10 nm range for soft x-ray microscopy and for focusing hard x-rays down to 20 nm with high diffraction efficiencies.

ÿþD / The intense radiation environment in the HERA-B experiment, being comparable to that of LHC experiments, requires that the detector be very resistant to high radiation loads. The Outer Tracker of HERA-B consists of drift tubes folded from polycarbonate foils (honeycomb) and is operated with a CF4-containing gas mixture. Aging tests made in HERA-B, under hadronic irradiation, using prototype drift chambers showed a rapid rise of self-sustaining dark currents (Malter effect). Extensive aging studies were carried out with the objective to find an appropriate set of construction materials as well as optimal operational parameters. It was shown that the gain loss (anode aging) and the Malter effect could be avoided after replacing the methane in the counting gas, Ar/CF4/CH4, by CO2 and applying cathode coating. However, other, relatively less known aging effects appeared: rising conductivity of the wire-supporting strips and wire corrosion. These two aging effects could also be prevented keeping water at a proper concentration. The aging tests showed that a too high water content (above about 500 ppm) gives rise to strip conductivity, conversely, a too low water content (below about 100 ppm) enhances anode wire corrosion. In an attempt to interpret the test results, plasma phenomena like quenching by different admixtures, production of molecular species, concentration of long-lived HF produced via CF4 dissociation in the avalanche were semi-quantitatively estimated. This work contains also a comprehensive summary of all aging studies for the Outer Tracker and an overview of the literature on wire chamber aging, in particular with CF4-based counting gas mixtures.

Es werden die exzitonischen Eigenschaften von Halbleiter-Quantengräben im Magnetfeld theoretisch untersucht. Unter Benutzung der Enveloppen-Näherung wird der Hamilton-Operator des Exzitons aufgestellt. Ein allgemeines Theorem für die diamagnetische Verschiebung (DMV) des exzitonischen Grundzustands wird abgeleitet. Im ersten Teil werden Effekte der Unordnung berücksichtigt. Die numerische Ergebnisse zeigen, daß die DMV ein Maß für die Lokalisierung der Wellenfunktion ist. Einzelne Exzitonzustände, wie sie für optische Nahfeldexperimente relevant sind, zeigen eine breite Verteilung der DMV-Werte, wobei der Mittelwert mit der Energie anwächst (abnehmende Lokalisierung). Die Absorptions- und Photolumineszenz-Spektren im Fernfeld werden mit dem Magnetfeld breiter. Unter Ausnutzung der strukturellen Information über die lokale chemische Zusammensetzung einer gegebenen Probe werden die statistischen Eigenschaften der Unordnung in einem realen Quantengraben analysiert. Das ermöglicht die numerische Erzeugung neuer Unordnungspotentiale, die dann für die Simulation der optischen Eigenschaften wie DMV-Statistik und Photolumineszenzspektren genutzt werden. Der Vergleich mit den experimentellen Daten für verschiedene Temperaturen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Der zweite Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit Quantenpunkten und Quantenringen, die in einem Quantengraben eingebettet sind, und konzentriert sich auf den exzitonischen Aharonov-Bohm Effekt. Der persistente Strom und die Magnetisierung werden berechnet. Für zirkuläre Symmetrie wird der enge Zusammenhang zwischen der oszillatorischen Komponente der Exziton-Energie und dem persistenten Strom aufgezeigt. Für nichtzirkuläre Ringe sind die Oszillationen ebenfalls beobachtbar, jedoch mit kleinerer Amplitude. Eine Untersuchung der Exzitonenkinetik zeigt die wichtige Rolle nichtradiativer Prozesse auf und setzt Grenzen für die Beobachtbarkeit der Oszillationen und für die Auslöschung der Photolumineszenz. / Excitonic properties of semiconductor quantum wells (QWs) with applied magnetic field are investigated theoretically. Using the envelope function approximation, the exciton Hamiltonian is constructed. A general theorem for the diamagnetic shift (DMS) of the lowest exciton energy is derived. In a first part, disorder is taken into account. The numerical results show that the DMS is a measure of wave function localization. Individual exciton states as relevant for optical near-field experiments show a broad distribution of DMS values while its average value increases with energy (decreasing localization). Far-field absorption and photoluminescence spectra become wider with increasing magnetic field. Using structural information on the local chemical composition of a given sample, the statistical properties of the disorder in a real QW have been analyzed. This allowed to generate new disorder potentials as input for the simulation of DMS statistics and photoluminescence spectra. Their comparison with experimental data at different temperatures shows very good agreement. The second part of the thesis deals with quantum dots and rings embedded in the QW, focusing on the exciton Aharonov-Bohm effect. Persistent current and magnetization are evaluated. For circular symmetry, a close relation between the oscillatory component of the exciton energy and the persistent current is revealed. For non-circular rings, oscillations can be observed too but with lower amplitude. A study of the exciton kinetics points to the important role of non-radiative processes, and sets limits for the experimental observability of energy oscillations and photoluminescence quenching.

In dieser Arbeit wird die Machbarkeit der Herstellung von Leuchtdioden Strukturen (LEDs) in einzelnen GaN Nanodrähten (ND) und deren Integration mit herkömmlicher Si Technologie untersucht. Hierzu wird zunächst ein generelles Verständnis des Wachstums von GaN ND erarbeitet und dargestellt. Es folgen Untersuchungen zum Einfluss von Dotierstoffen, wie z.B. Mg und Si, auf das Wachstum der ND. Dieses Wissen wird anschließend angewandt um Dotierübergänge in GaN ND herzustellen die nominell n-i-p bzw. p-i-n dotiert sind. Diese Untersuchung brachte die technologisch wichtige Erkenntnis, dass eine p-Dotierung mit Mg am besten erreicht werden kann wenn die ND bereits wohl entwickelt sind. Dies bedeutet, dass der obere Teil der ND LEDs aus p-Typ Material bestehen wird. Eine weitere wichtige Komponente von LEDs ist die aktive Zone in der die Elektron-Loch-Rekombination stattfindet. Im Fall von planaren GaN LEDs wird diese durch Zugabe von In und die Formierung von InGaN hergestellt. Wir untersuchen das Wachstum von InGaN auf Si, GaN NDs und in Form von MQWs, um das Wachstum und insbesondere den In Gehalt unter vielen Bedingungen kontrollieren zu können. Das gesamte Wissen der Voruntersuchungen wird kombiniert und für das Ziel dieser Arbeit nutzbar gemacht: Die Herstellung von GaN ND basierten LEDs. Diese Strukturen werden untersucht und zu einer funktionierenden LED weiter prozessiert. Abschließend wird von den Anstrengungen zur Integration von III-Nitrid LEDs und Si basierter MOSFET Technologie berichtet. Es wird erstmalig erfolgreich die monolithische Integration dieser beiden Bauelemente und ihr gleichzeitiges Funktionieren gezeigt. / This work is concerned with the realization and investigation of a light emitting diode (LED) structure within single GaN nanowires (NWs) and its integration with Si technology. To this end first a general understanding of the GaN NW growth is given. This is followed by investigations of the influence which doping species, such as Mg and Si, have on the growth of the NWs. The experience gathered in these studies set the basis for the synthesis of nominal p-i-n and n-i-p junctions in GaN NWs. Investigations of these structures resulted in the technologically important insight, that p-type doping with Mg is achieved best if it is done in the later NW growth stage. This implies that it is beneficial for a NW LED to place the p-type segment on the NW top. Another important component of an LED is the active zone where electron-hole recombination takes place. In the case of planar GaN LEDs, this is usually achieved by alloying Ga and In to form InGaN. In order to be able to control the growth under a variety of conditions, we investigate the growth of InGaN in the form of extended segments on top of GaN NWs, as well as multi quantum wells (MQWs) in GaN NWs. All the knowledge gained during these preliminary studies is harnessed to reach the overall goal: The realization of a GaN NW LED. Such structures are fabricated, investigated and processed into working LEDs. Finally, a report on the efforts of integrating III-nitride NW LEDs and Si based metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) technology is given. This demonstrates the feasibility of the monolithic integration of both devices on the same wafer at the same time.

Im Fokus dieser Untersuchung steht der Einfluss von Fluktuationen auf gekoppelte erregbare Systeme. Wir betrachten numerisch die stationäre Wahrscheinlichkeitsverteilung und den -fluss für ein einzelnes FitzHugh--Nagumo (FHN) System mit Rauschen. Abhängig von der Rauschintensität treten unterschiedliche Kombinationen von Extrema in der Verteilung auf. In einer Kombination finden wir Reminiszenzen an Kohärente Resonanz. Zur Untersuchung von gekoppelten Ensembles erregbarer Systeme nutzen wir eine Methode die auf der Dynamik der zentralen Momente der zugehörigen Verteilungen basiert. Wir leiten einen allgemeinen Ausdruck für ein System mit N Variablen her und diskutieren die Qualität verschiedener Näherungsmethoden. Rauschen kann die Dynamik eines ursprünglich nicht erregbaren Systems derart verändern, dass dieses Erregbarkeit zeigt. Dies demonstrieren wir durch Verallgemeinerung eines bekannten Modells für rauschinduzierte Phasenübergänge. Mit Hilfe der Momentenmethode erhalten wir das Bifurkationsdiagramm. Es zeigt Regionen rauschinduzierter Oszillationen und auch rauschinduzierter Erregbarkeit. Wenn wir additives Rauschen auf ein global gekoppeltes Ensemble mit FHN Kinetik anwenden, beobachten wir ein kompliziertes Übergangsregime hin zu Oszillationen des Mittelwerts. Neben Periodenverdopplung, Chaos und anderen Dynamiken finden wir ein plötzliches starkes Ansteigen der Ausdehnung eines chaotischen Attraktors. Dieses Phänomen ist bei Grenzzyklen als Canard Explosion bekannt. Wir demonstrieren die Möglichkeit von Musterbildung mit Hilfe von dichotomen Fluktuationen an Hand eines lokal gekoppelten Systems mit FHN Kinetik. Abhängig von räumlichen und zeitlichen Korrelationen tritt die Formation von Structure Patterns durch unterschiedliche Mechanismen und in unterschiedlichen Parameterregionen auf. / The focus of this study is on the influence of fluctuations on coupled excitable systems. We examine numerically the stationary probability distribution and the flux for an individual FitzHugh--Nagumo (FHN) system with noise. Depending on noise intensity different combinations of extrema of the distribution occur. In one combination we find reminiscences of coherence resonance. For the investigation of coupled ensembles of excitable systems we use a method based on the central moment dynamics of the corresponding probability distribution. We derive a general expression for a system with N variables and discuss the quality of different approximation techniques. Noise can alter dynamics that are formerly not excitable in a way that it becomes excitable. We demonstrate this using a generalization of a well known model for noise-induced phase transitions. With the help of the moment dynamics we obtain the phase diagram. It shows regions of noise induced oscillations and noise-induced excitability. When applying additive noise to a globally coupled ensemble with FHN kinetics a complicated transition regime towards oscillations of the mean is observed. Besides period-doubling, chaos, and other regimes we find a quick increase of the size of a chaotic attractor. This phenomenon is known from limit cycle oscillations as Canard explosion. We demonstrate the possibility of pattern formation with the help of dichotomous fluctuations using a system with nearest neighbor coupling obeying FHN kinetics. Depending on the spatial and temporal correlations we find structure pattern formation via different mechanisms in different parameter regions.

Das Modell einer vierten Familie konnte bis heute aufgrund von theoretischen Argumenten nicht ausgeschlossen werden. In dieser Arbeit wird die Suche nach einem Down-artigen Quark der vierten Familie mit dem folgenden angenommenen Zerfall: pp -> b''b''bar+X -> t+W+tbar+W+X -> bbar+W+W+W+W+X vorgestellt. Für diese Analyse wird eine integrierte Luminosität von 2.05 fb−1 verwendet, aufgenommen mit dem ATLAS Experiment bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s) = 7TeV für die Proton-Proton Kollisionen am Large Hadron Collider. In der Analyse werden Ereignisse mit zwei gleich geladenen Leptonen (e oder mu) in den Endzuständen selektiert, was eine seltene Signatur im Standard Modell darstellt. Neben einer verwendeten Standardselektierung für die Ereignisse, entnommen aus der ATLAS Top-Quark Analyse, wird eine Optimierung der Schnitte mit einer multivariaten Analyse durchgeführt. Des Weiteren werden systematische Unsicherheiten studiert, die durch die Partonendichteverteilungsfunktion sowie durch Abstrahlung von Teilchen wie Gluonen im Anfangs- und im Endzustand bei der Simulation mit dem Monte Carlo Generator entstehen. Mit den selektierten Ereignissen in der Signalregion von zwei gleich geladenen Leptonen wird durch eine Zählanalyse die Anzahl gemessener Signalereignisss extrahiert. Mit diesen Signalereignissen wird dann die untere Massenausschlussgrenze des b''-Quarks mit einer modifizierten Frequentistmethode bestimmt. Das Ergebnis zeigt, dass mit einem angenommenem Verzweigungsverhältnis von 100 % für den Zerfall b'' -> t + W alle Massen unterhalb einer Grenze von 461 GeV mit einem 95 % Konfidenzintervall ausgeschlossen sind. / The model of a fourth generation is currently not excluded by theoretical arguments. In this thesis a search for a fourth generation down-type quark is presented with the decay hypothesis: pp -> b''b''bar+X -> t+W+tbar+W+X -> bbar+W+W+W+W+X The search is performed with an integrated luminosity of 2.05 fb−1 , obtained with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider running proton-proton collisions at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 7TeV. Events for the analysis are selected with a search signature of two same-sign charged leptons (e or mu) in the final state, which is a rare Standard Model signature. Beside using the standard event selection from ATLAS top analyses, the event selection criteria are optimized with a multivariate analysis in order to maximize the significance. Furthermore, systematic uncertainties are studied coming from the parton distribution function as well as the initial and final state radiation. With the selected events in the signal region of two same-sign leptons, the signal is extracted via a counting method. The extracted signal is used for the determination of the mass limit of the fourth generation down-type quark with a modified frequentist method. Assuming a branching ratio of 100 % for the decay b'' -> t+W , b'' masses below 461 GeV are excluded at 95 % confidence level.

IceTop ist ein Detektorfeld fuer kosmische Strahlung, das momentan am Suedpol errichtet wird. Es ist Teil des IceCube-Observatoriums und wird nach Fertigstellung eine Flaeche von 1km^2 ueberspannen. Es zielt auf den Nachweis von Teilchenkaskaden ab, die von kosmischer Strahlung mit Energien im PeV-Bereich induziert werden. Die Dissertation beinhaltet die erste Analyse hochenergetischer kosmischer Strahlung mit IceTop. Zunaechst wird hierfuer die Lichtausbeute der Detektortanks untersucht. Dies ermoeglicht die Erstellung einer Erwartungswertverteilung der Schauersignale, und eines entsprechenden Likelihood-Rekonstruktionsalgorithmus. Die damit erreichten Aufloesungen werden untersucht und Effizienzen berechnet. Anschliessend wird das Ansprechverhaltenn von IceTop im Bezug auf die Energie genauer evaluiert. Aus den Ergebnissen werden Faltungsmatrizen fuer unterschiedliche Primaerteilchensorten extrahiert. Darauf basierend werden zwei Entfaltungsalgorithmen vorgestellt, und vier Faltungsmatrizen fuer verschiedene Kompositionsannahmen berechnet. Im August 2007 genommene Daten werden in drei Zenithwinkel-Abschnitte eingeteilt und separat mit den Kompositionsmodellen entfaltet. Die resultierenden Spektren decken einen Energiebereich von 1-80PeV ab. Mit der Forderung isotropen Flusses lassen sich Wahrscheinlichkeiten definieren, die sensitiv sind auf die Konsistenz der Kompositionsannahmen. Diese neue Methode ermoeglicht eine Untersuchung der Komposition ohne Zuhilfenahme weiterer Detektorkomponenten. Die Analyse zeigt eine klare Praeferenz der Modelle gemischter Komposition. Schliesslich wird das Spektrum mit der hoechsten relativen Wahrscheinlichkeit untersucht. Die gemessenen Parameter stimmen innerhalb der systematischen Fehler gut mit denen anderer Experimente ueberein. Die ermittelte Position des sogenannten Knies des Spektrums ist 3,1+-0,3(stat.)+-0,3(sys.)PeV, die Exponenten davor und danach sind -2,71+-0,07(stat.) und -3,110+-0,014(stat.)+-0,08(sys.). / IceTop is a square-kilometer scale detector array for highly energetic cosmic radiation. It is a part of the IceCube Observatory that is presently being built at the geographic South Pole. It aims for the detection of huge particle cascades induced by PeV cosmic rays in the atmosphere. This thesis presents the first analysis of highly energetic cosmic ray data taken with IceTop. First, the light response of the IceTop tanks is parametrised as a function of energy and particle type. An expectation function for the distribution of shower signals in the detector plane is developed. Based on that, a likelihood reconstruction algorithm is developed and its resolution and performance is studied. The resulting energy response of the array is investigated to set up response matrices for different primary nuclei and inclinations. Two unfolding algorithms are implemented, and response matrices are modeled for four different composition assumptions. With each assumption, energy spectra are unfolded for three different bins in inclination, using a data sample taken in August 2007. The range of the spectrum is 1-80PeV. Finally, a new analysis method is developed that uses the fact that cosmic rays in the PeV range are expected to be isotropic. It is shown that this requirement can be used for a likelihood estimation that is sensitive to composition without using additional information from other detector components. The analysis shows a clear preference of the mixed composition models over pure proton or iron assumption. The spectrum with the highest likelihood shows good agreement with results from other experiments within the systematic uncertainties. The found position of the so-called knee feature is 3.1+-0.3(stat.)+-0.3(sys.)PeV, the power indices before and after that are -2.71+-0.07(stat.) and -3.110+-0.014(stat.)+-0.08 (sys.).