Diese Arbeit untersucht die vielfältigen Wechselwirkungen zwischen elektronischen und strukturellen Eigenschaften in Perovskit-Oxiden und in einem molekularen Kristall. Optische Anregung mit ultrakurzen Lichtimpulsen verändert die elektronische Struktur und die Dynamik der damit verbundenen reversiblen Gitterveränderung wird mit zeitaufgelöster Femtosekunden Röntgenbeugung direkt aufgezeichnet. Eine Nanostruktur aus metallischen und ferromagnetischen Strontium Ruthenat (SRO) und dielektrischen Strontium Titanat Schichten dient als Modellsystem, um optisch induzierten Druck auf einer subpikosekunden Zeitskala zu untersuchen. In der ferromagnetischen Phase zeigen phononischer und magnetostriktiver Druck eine vergleichbare ultraschnelle Dynamik und eine ähnliche Größe unterschiedlichen Vorzeichens. Die Amplitude des magnetischen Drucks folgt dem Quadrat der temperaturabhängigen Magnetisierung. In einem weiteren Doppelschichtsystem komprimiert der sich ultraschnell aufbauende phononische Druck in SRO benachbarte ferroelektrische Blei Zirkonat Titanat Schichten. Dies reduziert die tetragonale Verzerrung von bis zu 2 Prozent innerhalb 1.5 Pikosekunden und koppelt an die ferroelektrische "weiche Mode", beziehungsweise an die Ionenverschiebung innerhalb der Einheitszelle. Damit verbunden wird die makroskopische Polarisation bis zu 100 Prozent reduziert; aufgrund der Anharmonizität der Kopplung mit einer Verzögerung von 500 Femtosekunden. Femtosekunden Photoanregung von Chromophoren in einem molekularen Kristall induziert eine Änderung des Diopolmomentes durch intramolekularen Ladungstransfer. Die Änderung der gestreuten Röntgenintensität weist auf eine Molekül-Rotationsbewegung in der Umgebung angeregte Dipole hin, welche der 10 Pikosekunden Dynamik des Ladungstransfer folgt. Die transienten Röntgenstreusignale werden vollständig von der kollektiven Solvatation bestimmt und verdecken lokale, intramolekulare Strukturänderungen. / This thesis investigates the manifold couplings between electronic and structural properties in crystalline Perovskite oxides and a polar molecular crystal. Ultrashort optical excitation changes the electronic structure and the dynamics of the connected reversible lattice rearrangement is imaged in real time by femtosecond X-ray scattering experiments. An epitaxially grown superlattice consisting of alternating nanolayers of metallic and ferromagnetic strontium ruthenate (SRO) and dielectric strontium titanate serves as a model system to study optically generated stress. In the ferromagnetic phase, phonon-mediated and magnetostrictive stress in SRO display similar sub-picosecond dynamics, similar strengths but opposite sign and different excitation spectra. The amplitude of the magnetic component follows the temperature dependent magnetization square, whereas the strength of phononic stress is determined by the amount of deposited energy only. The ultrafast, phonon-mediated stress in SRO compresses ferroelectric nanolayers of lead zirconate titanate in a further superlattice system. This change of tetragonal distortion of the ferroelectric layer reaches up to 2 percent within 1.5 picoseconds and couples to the ferroelectric soft mode, or ion displacement within the unit cell. As a result, the macroscopic polarization is reduced by up to 100 percent with a 500 femtosecond delay that is due to final elongation time of the two anharmonically coupled modes. Femtosecond photoexcitation of organic chromophores in a molecular, polar crystal induces strong changes of the electronic dipole moment via intramolecular charge transfer. Ultrafast changes of transmitted X-ray intensity evidence an angular rotation of molecules around excited dipoles following the 10 picosecond kinetics of the charge transfer reaction. Transient X-ray scattering is governed by solvation, masking changes of the chromophore''s molecular structure.

In dieser Arbeit wird mit Hilfe der koinzidenten Messung des Energieverlusts gestreuter Projektile zusammen mit der Anzahl emittierter Elektronen pro Streuprozess die Wechselwirkung schneller Atome mit Metalloberflächen untersucht. Dabei wird insbesondere die streifende Streuung der Edelgasatome Helium, Neon und Argon an Al(110)-, Al(111)- und Cu(111)-Oberflächen betrachtet. In den ersten Kapiteln wird die Messmethode der streifenden Streuung, der verwendete experimentelle Aufbau sowie der Charakterisierung der untersuchten Metalloberflächen anhand ihrer geometrischen und elektronischen Eigenschaften erläutert. Nach einführenden Betrachtungen zu Energieverlust und Elektronenemission bei der streifenden Streuung von Heliumatomen erfolgt eine detaillierte Diskussion zum Schwellenverhalten der kinetischen Elektronenemission (KE). Dabei wird gezeigt, dass das Schwellenverhalten durch ein Modell basierend auf dem zentralen Stoss zwischen Projektil und Valenzelektronen beschrieben werden kann. Aus den Schwellengeschwindigkeiten werden Informationen über Elektronenimpulse und Elektronenpotentiale vor Metalloberflächen abgeleitet. Ferner wird die Streuung von Neon- und Argonatomen untersucht. Für das System Ne-Al(111) wird ab Senkrechtenergien von ca. 25 eV Elektronenpromotion beobachtet. KE unterhalb der klassischen Schwelle für die Streuung von Neon- und Argonatomen wird im Rahmen von zwei alternativen Modellen interpretiert: der Effekt der Impulsdichteverteilung der Elektronen vor der Oberfläche oder die gleichzeitige Anregung zweier benachbarter Elektronen mit anschließenden Auger-Zerfall. Abschließend die unterschiedlichen KE für axiales und planares Oberflächen-Channeling untersucht und interpretiert. / The kinetic electron emission (KE) in coincidence with the energy loss of noble gas atoms impinging on metal surfaces under grazing angles of incidence is studied. Results for scattering of helium, neon, and argon atoms from Al(111), Al(110), and Cu(111) are presented and discussed. In the first chapters the experimental technique of grazing scattering, the experimental setup, and a geometric and electronic characterization of the surfaces is described. General aspects of projectile energy loss and KE for grazing scattering of helium atoms are discussed. It is shown that the threshold behavior of the KE can be interpreted in terms of a simple model of binary-encounter between projectiles and valence electrons. From threshold velocities for KE electron momenta and potentials in front of the studied metal surfaces are derived. Then special features for the grazing scattering of neon and argon are discussed. For neon impinging on Al(111) with energies normal to the surface above 25 eV electron promotion was found to dominate the electron emission process. Sub-threshold KE for scattering of neon and argon atoms is interpreted by two models. The first one is based on the local electron momentum distribution in front of the surface. The second one involves correlated excitation of two conduction electrons well above the Fermi level with subsequent emission of an electron via Auger deexcitation. Furthermore an explanation for the different KE yields under axial and planar surface channeling conditions is provided.

Meine Arbeit beschäftigt sich mit der Rekonstruktion genregulatorischer Netze, um die Funktionalität von Organismen und ihre Reaktionen auf die vielfältigen externen Einflussfaktoren besser zu verstehen. Die Analyse kurzer, zeitaufgelöster Daten mit Hilfe von Assoziationsmaßen kann dabei erste wesentliche Einblicke in mögliche Wechselwirkungskreisläufe liefern. In einer umfangreicher Vergleichstudie untersuche ich die Effizienz der Netzwerkrekonstruktion bei der Anwendung verschiedener Maße und Bewertungsschemata. Weiterhin führe ich IOTA (inner composition alignment) als ein neues asymmetrisches, permutationsbasiertes Ähnlichkeitsmaß ein, welches ein effektives Werkzeug zur Rekonstruktion gerichteter Netzwerke ohne die Verwendung zusätzlicher Bewertungsschemata darstellt. In meiner Arbeit betrachte ich verschiedene Modifikationen dieses Maßes und untersuche deren Eigenschaften. Dabei zeige ich, dass IOTA geeignet ist, um statistisch signifikante gerichtete, nichtlineare Kopplungen in verschiedenen Zeitreihen (autoregressive Prozesse, Michaelis-Menten Kinetik und chaotische Oszillatoren in verschiedenen Regimen) und Autoregulation zu untersuchen. Weiterhin erlaubt IOTA, ebenso wie die Korrelationsmaße, die Spezifizierung des Types der Regulation (Aktivierung oder Repression), was es zu dem einzigen Maß macht, dass die Ableitung aller für die Rekonstruktion genregulatorischer Netzwerke erforderlichen Kenndaten ermöglicht. Schließlich nutze ich das neuen Ähnlichkeitsmaß IOTA, um ein genregulatorisches Netzwerk für die Grünalgenart Chlamydomonas reinhardtii unter Kohlenstoffmangel aus experimentellen Daten abzuleiten. / My thesis is about reconstructing gene regulatory networks in order to better understand the functionality of organisms and their reactions to various external influences. In this context, the analysis of short, time-resolved measurements with association measures can yield crucial insights into possible interactions. In an extensive comparison study, I examine the efficiency of different measures and scoring schemes for solving the network reconstruction problem. Furthermore, I introduce IOTA (inner composition alignment), a novel asymmetric, permutation-based association measure, as an efficent tool for reconstructing directed networks without the application of additional scoring schemes. In my thesis, I analyze the properties of various modifications of the measure. Moreover, I show that IOTA is valuable to study significant, directed, nonlinear couplings in several time series (autoregressive processes, Michaelis-Menten kinetics and chaotic oscillators in different dynamical regimes) , as well as autoregulation. In addition, IOTA, similar to correlation measures, permits to identify the type of regulation (activation or repression). Hence, it is the only measure that can determine all necessay characteristics when reconstruction regulatory networks. Finally, I apply the novel association measure IOTA to infer a gene regulatory network for the green algae Chlamydomas reinhardtii under carbon deprivation from experimally obtained data.

Das Thema dieser Arbeit ist die fuer das HEGRA Experiment entwickelte Rekonstruktions-Algoritmen, die Geometry und Energie von hochenergetischen kosmischen Gamma-Strahlen zu rekonstruieren, in die H.E.S.S. software Umgebung zu implementieren und das nicht-gepulste Energie-Spektrum des Krebsnebels zwischen Energien von 300 GeV und 20 TeV zu bestimmen. Dafuer wurden die ersten stereoskopischen Daten von Oktober und November 2003 mit einer 3 Teleskope-Konfiguration des H.E.S.S. Systems der Phase-I verwendet. Die Phase-I des H.E.S.S. Systems wurde im Dezember 2003 fertiggestellt, nachdem das vierte Teleskop in Betrieb genommen wurde. Die Rekonstruktionsalgorithmen wurden mit Monte Carlo Simulationen fuer die vollstaendige Phase-I des Teleskop-Systems getestet. Die Aufloesung fuer die rekonstruierte Richtung und Energie der einzelnen gamma-Ereignisse sind 0.15 Grad und 14 Prozent bei 45 Grad Zenitwinkel. Die Daten des Krebsnebels, die eine Wobble-Versetzung von +-0.5 Grad and +-1.0 Grad haben und die im Zenitwinkel-Bereich von 45 Grad bis 50 Grad fuer 4 Stunden beobachtet wurden, geben ein Signal von 50 Standardabweichungen. Das differentielle Energiespektrum des Krebsnebels zwischen 450 GeV und 20 TeV nach den Schnitten ist (dN / dE) = (3.37+-0.47)*10^{-11}*E^{-2.59+-0.12} cm^{-2} s^{-1} TeV^{-1}. Der integrierte Fluss oberhalb 1 TeV ist (2.11+-0.29)*10^{-11} cm^{-2} s^{-1}. Diese Resultate sind konsistent mit Messungen anderer Experimente, speziell von HEGRA und Whipple. Die Resultate stimmen mit den Erwartungen der synchroton self-Compton Modelle fuer den TeV Emissionbereich ueberein. Das magnetische Feld in der Region, wo die TeV gamma-Strahlen vermutlich entstehen, wird zu 0.18+-0.01 mG bestimmt. Die Resultate dieser Arbeit zeigen die Leistungsfaehigkeit des H.E.S.S. Teleskop-Systems. / The goal of this thesis is to implement the methods developed for the HEGRA experiment to reconstruct the geometry and energy of the air-showers induced by the cosmic high-energy gamma rays into the software environment of the H.E.S.S. experiment. Furthermore, using the implemented algorithms, a search for the unpulsed emission is aimed in the energy range between 300 GeV and 20 TeV from the Crab Nebula using the first stereoscopic data taken during October and November 2003 with the 3 telescope configuration of the H.E.S.S. array in Phase-I. The Phase-I of the H.E.S.S. array was completed in December 2003 by the addition of the fourth telescope. By testing the reconstruction algorithms of a complete Phase-I H.E.S.S. array with Monte Carlo simulations, it is found that the resolution of the reconstructed direction and energy of a gamma-ray event from a zenith angle of 45 degrees is around 0.15 degrees and 14 percent, respectively. The data on the Crab Nebula including runs with wobble offset of +-0.5 degrees and +-1.0 degrees is collected at zenith angles from 45 degrees to 50 degrees for a total of 4 hours and gives a background subtracted signal of about 50 standard deviations. The differential energy spectrum of the unpulsed gamma-ray emission from the Crab Nebula is found to be (dN / dE) = (3.37+-0.47)*10^{-11}*E^{-2.59+-0.12} cm^{-2} s^{-1} TeV^{-1} between 450 GeV and 20 TeV after all cuts. The integral flux above 1 TeV is (2.11+-0.29)*10^{-11} cm^{-2} s^{-1}. These results are consistent with the results published by other experiments, in particular HEGRA and Whipple. The results agree well with the expectation from synchrotron self-Compton models for TeV emission range. The magnetic field in the region, where TeV gamma rays are produced, is found to be 0.18+-0.01 mG. This result agrees with the magnetic field values deduced by the models. The results obtained for the Crab Nebula in this thesis demonstrate the performance of the H.E.S.S. array.

Der zukünftige Linearbeschleuniger (International Linear Collider - ILC) wird für die Teilchenforschung im Energiebereich bis zu einem Tera-Elektronenvolt (TeV scale) entwickelt. In dieser Arbeit wird der Entwurf des inneren Vorwärtsbereichs (Very Forward Region) eines Detektors füur diesen Beschleuniger beschrieben. Das Beam-Kalorimeter - eines der zwei elektromagnetischen Kalorimeter, die hier angeordnet sind - ist Gegenstand dieser Arbeit. Das Beam-Kalorimeter muss eine gute Hermetizität für hochenergetische Elektronen, Positronen und Photonen bis hinab zu sehr kleinen Polarwinkeln gewährleisten. Es dient für die schnelle Strahldiagnose und als Abschirmung des inneren Detektors gegen rückgestreute Beamstrahlungsreste und Synchrotronstrahlung. Als eine mögliche Technologie für das Beam-Kalorimeter wird eine Sandwich-Anordnung aus Diamantsensoren und Wolfram- Absorberplatten betrachtet. Es werden detaillierte Simulationen einer solchen Anordnung durchgeführt. Die Nachweiseffektivität und die Energie- sowie Winkelauflösung für elektromagnetische Schauer werden untersucht. Im Ergebnis der Simulationsrechnungen wird nachgewiesen, dass die vorgeschlagene Anordnung die Anforderungen an ein Beam-Kalorimeter erfüullt. Zusätzlich werden Untersuchungen an polykristallinem Diamantmaterial, hergestellt mittels Abscheidung aus der Dampfphase (Chemical Vapour Deposition - CVD), durchgeführt, um dessen Eigenschaften als Sensormaterial für ein Beam-Kalorimeter zu ermitteln. Die Ergebnisse der Messungen von Mustern verschiedener Hersteller werden dargestellt diskutiert. / The International Linear Collider (ILC) is being designed to explore particle physics at the TeV scale. The design of the Very Forward Region of the ILC detector is considered in the presented work. The Beam Calorimeter - one of two electromagnetic calorimeters situated there - is the subject of this thesis. The Beam Calorimeter has to provide a good hermeticity for high energy electrons, positrons and photons down to very low polar angles, serve for fast beam diagnostics and shield the inner part of the detector from backscattered beamstrahlung remnants and synchrotron radiation. As a possible technology for the Beam Calorimeter a diamond-tungsten sandwich calorimeter is considered. Detailed simulation studies are done in order to explore the suitability of the considered design for the Beam Calorimeter objectives. Detection efficiency, energy and angular resolution for electromagnetic showers are studied. At the simulation level the diamond-tungsten design is shown to match the requirements on the Beam Calorimeter performance. Studies of polycrystalline chemical vapour deposition (pCVD) diamond as a sensor material for the Beam Calorimeter are done to explore the properties of the material. Results of the measurements performed with pCVD diamond samples produced by different manufacturers are presented.

Zusammenfassung: In dieser Arbeit wird die Möglichkeit untersucht, am e+e- und am gamma-gamma Collider mittels einer Monte Carlo Methode supersymmetrische Signaturen zu entdecken. Im Wesentlichen wurde sich auf den Nachweis von Myonen konzentriert. Zuerst wird der Nachweis von R-Smyonen in e+e- Kollisionen untersucht, der die Grundlage zur Bestimmung der R-Smyonen Masse ist. Es stellte sich heraus, dass eine statistische Unsicherheit von 0.11 GeV erreicht werden kann. Unter Annahme der Realbedingungen am ILC Photon Collider wurde eine Studie durchgeführt, die den Nachweis von R-Smyonen und L-Smyonen Paaren bei Schwerpunktsenergien von energie e-e- = 0.5 und 0.6 TeV beinhalted. Die Simulation ergab, dass ein statistischer Fehler für die Verzweigungsverhältnisse L-Smyonen -> Myonen + Neutralino1 von 0.98% und L-Smyonen -> Myonen + Neutralino2 von 3.97% erreicht werden kann. Um die Monte Carlo Ergebnisse beurteilen zu können, wurde eine Methode benutzt, die auf einem multidimensionalen Fit basiert, um den Einfluss der Messungen der Verzweigungsverhältnisse auf die Genauigkeit der SUSY Parameter abzuschätzen. Weiterhin wird die Möglichkeit untersucht, schwere Neutralinos wie Neutralino2 über den Nachweis von Myonen+ Myonen- Neutralino1 Myonen+ Myonen- Neutralino1 und e+ Myonen- Neutralino1 e- Myonen+ Neutralino1. Endzuständen, produziert in gamma-gamma Kollisionen, zu identifizieren. Diese Studie verdeutlicht, dass der Photon Collider, im Gegensatz zu Lepton Collidern, eine aussergewöhnliche Datenmenge für diese Topologie bieten wird. Es stellte sich heraus, dass die aus den Energieverteilungen der Leptonen im Endzustand gewonnene Information ausreicht, um das supersymmetrische Signal zu identifizieren. Aus den Streudiagrammen der invarianten Masse wurde die Massendifferenz der supersymmetrischen Teilchen in den Kaskaden bestimmt. Es wird gezeigt, dass die Neutralino2 Masse und die Massendifferenzen Masse(Neutralino2)- Masse(Neutralino1) und Masse(L-Smyonen) - Masse(R-Smyonen) gut abgeschätzt werden können. Weitere potentielle Quellen der innnewohnenden systematischen Fehler werden diskutiert. / Abstract: In this thesis, the potential to discover supersymmetric signatures in both e+e- and gamma-gamma colliders evaluated with a Monte Carlo analysis, is discussed. The analysis was focused on the detection of muons, essentially. First, we study the detection of R-smuons in e-e+ collisions, whose purpose is the measurement of the smuon mass. It was found that an uncertainty of 0.11 GeV (stat) can be achieved. Under the assumption of the real conditions of the ILC photon collider, a study covering the detection of R-smuons and L-smuons pairs for a center-of-mass energy of e-e- = 0.5 and 0.6 TeV was performed. According to the simulation, a statistical error for the branching ratios of L-smuon -> muon neutralino1 of 0.98% and L-smuon -> muon + neutralino2 of 3.97% can be reached. In order to judge the Monte Carlo results, we have used a technique based on a multidimensional fit to evaluate the impact of the branching ratio measurements on the precision of the SUSY parameters. Furthermore, the possibility of identifying heavy neutralinos such as neutralino2 via detection of the muon+ muon- neutralino1 muon+ muon- neutralino1 and muon- e+ neutralino1 muon+ e- neutralino1 final states produced in gamma-gamma collisions, was explored. This study reveals that the photon collider will provide a remarkable amount of data for this topology, contrary to lepton colliders. Information acquired from energy distributions of final state leptons turns out to be enough to identify the supersymmetric signal. From the invariant mass scatter plots the mass difference of the supersymmetric particles involved in the cascades is determined. It is shown that the neutralino2 mass and the mass difference between neutralino2 and neutralino1 and L-smuon and R-smuon can be quite well estimated. Further potential sources of inherent systematic errors, are discussed.

Einer der Hauptzweige innerhalb der String-Theorie, der sich um die Konstruktion phänomenologisch relevanter Modelle bemüht, beschäftigt sich mit sich schneidenden D-Branen. Nach einer allgemeinen Einleitung in die Stringtheorie, werden sowohl Torus- als auch Z_N-Orientifolde detailliert dargestellt. Es wird auf das Bild von D9-Branen mit externen B-Feldern eingegangen, aber das Hauptaugenmerk liegt auf dem T-dualen Bild sich schneidender D6-Branen. Die Forderung nach einer Abwesenheit von R-R und NS-NS Tadpolen wird im Formalismus der konformen Feldtheorie hergeleitet. Verschiedene Aspekte der chiralen und nicht-chiralen masselosen Spektren geschlossener und offener Strings werden behandelt, wie Raumzeit-Anomalien, der generalisierte Green-Schwarz-Mechanismus und verschiedene Mechanismen zur Brechung der Eichgruppen. Anschließend werden sowohl der supersymmetrische wie auch der nicht-supersymmetrische Zugang zur Bildung niederenergetischer Modelle diskutiert. Das Problem komplexer Strukturinstabilitäten auf dem Torus wird erfolgreich in einem Z_3-Orientifold-Modell behoben. Es wird ein dem Standard-Modell ähnliches Drei-Generationen-Modell konstruiert, das neben den üblichen Eichgruppen noch eine zusätzliche globale B-L-Symmetrie besitzt. Somit sind weder der elektroschwache Higgs-Mechanismus noch die üblichen Yukawa-Kopplungen in diesem Modell realisiert. Es wird gezeigt, daß der natürliche Ursprung dieses Modells ein flipped SU(5)-GUT-Modell ist. Die Stringskala muß hierbei wenigstens von der Größenordnung der GUT-Skala angenommen werden. Anschließend werden supersymmetrische Modelle auf dem Z_4-Orbifold besprochen, einem Hintergrund, der auch exzeptionelle 3-Zyklen zuläßt. Es werden fraktionale D-Branen explizit konstruiert. Schließlich wird als Beispiel ein Pati-Salam-Modell dargestellt, welches drei Fermion-Generationen besitzt. Dieses Modell ergibt sich nach der Anwendung verschiedener Branenrekombinations-mechanismen und beinhaltet nicht-flache und nicht-faktorisierbare D-Branen. Es wird ebenfalls gezeigt, wie dieses Modell auf ein MSSM-artiges Modell heruntergebrochen werden kann, welches eine masselose Hyperladung besitzt. Im letzten Teil wird der Frage nachgegangen, ob instabile Modulusfelder des Sektors geschlossener oder offener Strings möglicherweise für die Phase der Inflation innerhalb der kosmischen Entwicklung unseres Universums verantwortlich gewesen sein können. Damit dies der Fall sein kann, müssen potentielle Inflaton-Kandidaten die Slow-Roll-Bedingung erfüllen. Dies ist in der diskutierten Modellklasse für die geschlossenen String-Felder nur für den sehr speziellen Fall möglich, daß einige Felder als eingefroren behandelt werden und zudem ein spezielles Koordinatensystem verwendet wird. Im Sektor der offenen Strings konnte auf One-loop-Niveau kein Modulusfeld die Bedingung erfüllen. / Intersecting branes have been the subject of an elaborate string model building for several years. After a general introduction into string theory, this work introduces in detail the toroidal and Z_N-orientifolds. The picture involving D9-branes with B-fluxes is shortly reviewed, but the main discussion employs the T-dual picture of intersecting D6-branes. The derivation of the R-R and NS-NS tadpole cancellation conditions in the conformal field theory is shown in great detail. Various aspects of the open and closed chiral and non-chiral massless spectrum are discussed, involving spacetime anomalies and the generalized Green-Schwarz mechanism. An introduction into possible gauge breaking mechanisms is given, too. Afterwards, both N=1 supersymmetric and non-supersymmetric approaches to low energy model building are treated. Firstly, the problem of complex structure instabilities in toroidal OmegaR-orientifolds is approached by a Z_3-orbifolded model. In particular, a stable non-supersymmetric standard-like model with three fermion generations is discussed. This model features the standard model gauge groups at the same time as having a massless hypercharge, but possessing an additional global B-L symmetry. The electroweak Higgs mechanism and the Yukawa couplings are not realized in the usual way. It is shown that this model descends naturally from a flipped SU(5) GUT model, where the string scale has to be at least of the order of the GUT scale. Secondly, supersymmetric models on the Z_4-orbifold are discussed, involving exceptional 3-cycles and the explicit construction of fractional D-branes. A three generation Pati-Salam model is constructed as a particular example, where several brane recombination mechanisms are used, yielding non-flat and non-factorizable branes. This model even can be broken down to a MSSM-like model with a massless hypercharge. Finally, the possibility if unstable closed and open string moduli could have played the role of the inflaton in the evolution of the universe is being explored. In the closed string sector, the important slow-rolling requirement can only be fulfilled for very specific cases, where some moduli are frozen and a special choice of coordinates is taken. In the open string sector, inflation does not seem to be possible at all.

Quantenchromodynamik mit zwei leichten Quarks wird in der Gitterregularisierung mit verbesserten Wilson Fermionen betrachtet. Die chirale Symmetrie in dieser Formulierung wird von Gitterartefakten, die linear im Gitterabstand a sind, explizit gebrochen. Daher erfordern die axialen Isospin Ströme Verbesserung (im Symanzik Sinn), sowie eine endliche Renormierung, wenn sie die Ward--Takahashi Identitäten des Kontinuums bis auf kleine Gitterkorrekturen proportional zu a^2 erfüllen sollen. Algorithmische Probleme bei großen Gitterabständen machen die numerischen Simulationen der Gittertheorie schwierig. Der Hybrid Monte Carlo Algorithmus leidet unter einem verformten Dirac Spektrum in Form unphysikalisch kleiner Eigenwerte. Es wird gezeigt, daß dies ein Gitterartefakt ist, welches schnell verschwindet, wenn der Gitterabstand verringert wird. Ein alternativer Algorithmus, der polynomische Hybrid Monte Carlo Algorithmus, zeigt erheblich bessere Eigenschaften im Umgang mit den außergewöhnlich kleinen Eigenwerten. Durch Erweiterung und Verbesserung vorher verwendeter Methoden wird die nicht-perturbative Verbesserung und Renormierung des Axialstroms durch Korrelationsfunktionen im Schrödinger Funktional implementiert. In beiden Fällen wird dies erzielt, indem man Ward Identitäten des Kontinuums bei endlichem Gitterabstand erzwingt. Zusammen stellt dies die chirale Symmetrie bis zur quadratischen Ordnung im Gitterabstand wieder her. Mit wenig zusätzlichem Aufwand wird auch der Normierungsfaktor des lokalen Vektorstroms berechnet. Die Methoden, die hier entwickelt und implementiert wurden, können leicht auch für andere Wirkungen verwendet werden, die im Schrödinger Funktional formuliert werden können. Dies umfaßt verbesserte Eichwirkungen sowie Theorien mit mehr als zwei dynamischen Quarks. / Quantum Chromodynamics with two light quark flavors is considered in the lattice regularization with improved Wilson fermions. In this formulation chiral symmetry is explicitly broken by cutoff effects linear in the lattice spacing a. As a consequence the isovector axial currents require improvement (in the Symanzik sense) as well as a finite renormalization if they are to satisfy the continuum Ward-Takahashi identities associated with the isovector chiral symmetries up to small lattice corrections of order a^2. In exploratory numerical simulations of the lattice theory algorithmic difficulties were encountered at coarse lattice spacings. There the hybrid Monte Carlo algorithm used suffers from a distorted Dirac spectrum in the form of unphysically small eigenvalues. This is shown to be a cutoff effect, which disappears rapidly as the lattice spacing is decreased. An alternative algorithm, the polynomial hybrid Monte Carlo algorithm, is found to perform significantly better in the presence of exceptionally small eigenvalues. Extending previously used methods both the improvement and the renormalization of the axial current are implemented non-perturbatively in terms of correlation functions formulated in the framework of the Schrödinger functional. In both cases this is achieved by enforcing continuum Ward identities at finite lattice spacing. Together, this restores the isovector chiral symmetry to quadratic order in the lattice spacing. With little additional effort the normalization factor of the local vector current is also obtained. The methods developed and implemented here can easily be applied to other actions formulated in the Schrödinger functional framework. This includes improved gauge actions as well as theories with more than two dynamical quark flavors.

Die Suche nach Neutrino-Punktquellen bietet eine Möglichkeit, astrophysikalische Teilchenbeschleuniger als Quellen der Kosmischen Strahlung zu identifizieren. Eine etablierte Methode in der Neutrinoastronomie ist die Messung der Tscherenkow-Strahlung induzierter Myonen in unterirdischen Detektoren. Die hier vorgestellte Analyse basiert auf Daten, die zwischen 2007 und 2008 mit IceCube, dem größten Neutrinoteleskop dieser Art, gesammelt wurden. Bisherige Neutrino-Punktquellensuchen waren auf eine Hemisphäre beschränkt gewesen, da nur aufwärts laufende Ereignisse betrachtet wurden, um den atmosphärischen Myon-Untergrund zu eliminieren. Hier wird gezeigt, dass der Bereich über dem Horizont durch eine energieabhängige Selektion miteinbezogen werden kann. Dies erhöht die Sensitivität für Energien oberhalb einiger PeV, die bisher aufgrund von Neutrinoabsorption unterhalb des Horizonts vollkommen unzugänglich waren. Zum Nachweis richtungsabhängiger Neutrinosignale wurde eine Musterung beider Himmelshälften durchgeführt. Modellvorhersagen für Aktive Galaktische Kerne dienten als Grundlage für separate Tests anhand einer Liste von Quellkandidaten und mittels einer zeitabhängigen Suche nach kurzen Neutrinoemissionen vom Blazar 3C279. Es konnten keine signifikanten Ereignisüberschüsse über dem Untergrund beobachtet werden. Daraus leiten sich die ersten oberen Neutrino-Flussgrenzen für Punktquellen am Südhimmel bei Energien bis in den EeV Bereich ab. Für bestimmte Quellkandidaten sind es die besten Einschränkungen für Neutrinovorhersagen bei PeV Energien. Mit den gleichen Ereignissen wurde eine Suche nach Korrelationen zwischen Neutrinos und den höchstenergetischen geladenen Teilchen der Kosmischen Strahlung durchgeführt. Die Ursprungsrichtungen von Luftschauern, veröffentlicht durch das HiRes Experiment und das Pierre Auger Observatorium, dienten zur Bestimmung solcher Koinzidenzen. Das Ergebnis ist im Einklang mit den Untergrunderwartungen. / Searching for point-like neutrino signals provides a chance of identifying astrophysical particle accelerators as sources of cosmic rays. An established approach to realise high energy neutrino astronomy is the observation of Cherenkov radiation from induced muon tracks in subsurface detectors. Presented here is an analysis based on data taken between 2007 and 2008 with IceCube, the largest of these neutrino telescopes. Neutrino point source searches had been so far restricted to one hemisphere, due to the exclusive selection of upward going events as a way of rejecting the atmospheric muon background. This work demonstrates that the region above the horizon can be included by suppressing the background through an energy-sensitive event selection. The approach improves the sensitivity above PeV energies, previously not accessible at all due to absorption of neutrinos from below the horizon. Both celestial hemispheres were scanned to identify neutrino fluxes from individual directions. Based on model predictions for Active Galactic Nuclei, separate tests were performed by compiling a list of specific neutrino source candidates and by searching for short neutrino flares from the blazar 3C279. No significant excesses above the atmospheric background were found. The resulting upper limits on neutrino fluxes are the first that cover point sources in the southern sky up to the EeV energy range. For certain source candidates, these limits provide the best constraints on models predicting neutrinos above PeV energies. Based on the same event sample, a search for correlations between neutrinos and the most energetic charged cosmic rays was performed. The arrival directions of air showers, reported by the HiRes experiment and the Pierre Auger Observatory, were used to determine such coincidences. The result of this study is compatible with the background hypothesis.

Diese Arbeit behandelt die Suche nach neuen Teilchen, die in Top-Quark-Paare zerfallen (t¯t). Die Analyse beruht auf Daten des ATLAS-Experiments von Proton- Proton-Kollisionen am LHC bei einer Schwerpunktsenergie von p s = 7 TeV und einer Gesamtluminosität von 2.05 fb−1. Hierzu wird der Lepton+Jets Endzustand im t¯t ! WbWb Zerfallskanal verwendet, worin ein W-Boson leptonisch und das andere hadronisch zerfällt. Das t¯t -Ereignis wird sowohl in aufgelösten als auch geboosteten Zerfallstopologien rekonstruiert. Zum ersten Mal werden die Korrelationen beider Kanäle in Form einer dritten Kategorie nutzbar gemacht, welche aus Ereignissen besteht, die in beiden Topologien selektiert wurden. Die Sensitivität der Analyse wird hierdurch erhöht. Obere Schranken bei 95% Vertrauensniveau auf den Wirkungsquerschnitt multipliziert mit der Zerfallsbreite für massive Zustände großer und kleiner Zerfallsbreite werden berechnet. Diese werden aus der Kombination der beiden Ansätze der t¯t -Rekonstruktion gewonnen. Für die Z0-Resonanz kleiner Breite reicht die beobachtete (erwartete) obere Grenze auf den Wirkungsquerschnitt von 4.85 (4.81) pb, für eine Masse von 0.6 TeV, bis 0.21 (0.13) pb, für eine Masse von 2 TeV. Eine schmale leptophobische Topcolor-Z0-Resonanzen mit einer Masse unterhalb von 1.3 TeV kann ausgeschlossen werden. Weiterhin konnten beobachtete (erwartete) obere Grenzen auch für eine breite Farboktett-Resonanz berechnet werden. Diese liegen zwischen 2.52 (2.59) pb und 0.37 (0.27) pb für Massen von 0.7 TeV bzw. 2 TeV. Breite Kaluza-Klein-Gluon-Resonanzen mit einer Masse unter 1.65 TeV können ausgeschlossen werden. / This thesis presents the search for new particles that decay into top quark pairs (t¯t). The analysis is performed with the ATLAS experiment at the LHC, using an integrated luminosity of 2.05 fb−1 of proton–proton collision data, collected at a center-of-mass energy of p s = 7 TeV. The lepton plus jets final state is used in the t¯t ! WbWb decay, where one W boson decays leptonically and the other hadronically. The t¯t system is reconstructed using both resolved and boosted topologies of the top-quark decay. For the first time, correlations between the two search channels have been employed by creating a third channel with the events selected by both analyses. The sensitivity to new physics phenomena is thereby improved. Upper limits are derived on the production cross-section times branching ratio for narrow and wide massive states, at the 95 % confidence level. These are extracted by combining the two approaches of the t¯t reconstruction. For a narrow Z0 resonance, the observed (expected) upper limits range from 4.85 (4.81) pb for a mass of 0.6 TeV, to 0.21 (0.13) pb for a mass of 2 TeV. A narrow leptophobic topcolor Z0 resonance with a mass below 1.3 TeV is excluded. Observed (expected) limits are also derived for a broad color-octet resonance. They vary between 2.52 (2.59) pb and 0.37 (0.27) pb for a mass of 0.7 TeV and 2 TeV, respectively. The wide Kaluza-Klein gluon with a mass below 1.65 TeV is excluded. Another aspect of this thesis are performance studies of the level-1 jet trigger. Trigger efficiencies have been measured, using data collected by the ATLAS detector in 2010 at p s = 7 TeV. The turn-on curves obtained for a variety of jet triggers, showed good agreement between data and simulation in the plateau region. The efficiency results were used at the first stage of analyses for multi-jet cross-section measurements.