Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Thema Evolutionäre Algorithmen und deren Verwendung für Optimierungsaufgaben. Im ersten Teil der Arbeit werden die theoretischen Grundlagen ausführlich dargelegt, die zum Verständnis der Problemstellung und der vorgeschlagenen Lösungsmöglichkeiten notwendig sind. Dazu gehören die Einführung des Konzeptes von Fitneßlandschaften, deren Eigenschaften sowie die kurze Darstellung bekannter stochastischer Optimierungsverfahren wie z.B. Simulated Annealing. Im Anschluß daran wird auf neue Verfahren - insbesondere gemischte Strategien - eingegangen und diese vergleichend gegenüber den herkömmlichen Verfahren abgegrenzt. Die neu entwickelten Verfahren werden an Modellproblemen getestet, welche im zweiten Teil der Arbeit vorgestellt werden. Verwendet wurden sowohl einfache theoretische Modelle wie Frustrierte Periodische Sequenzen als auch praktisch relevante Probleme wie das der RNA Sekundärstrukturen. Die verschiedenen Modellprobleme werden bezüglich ihrer Eigenschaften und Schwierigkeitsgrade untersucht und miteinander verglichen, um die Effizienz der verwendeten Optimierungsverfahren abschätzen zu können. Der dritte Teil der Arbeit präsentiert wichtige Ergebnisse der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten umfangreichen numerischen Simulationen. Es wird demonstriert, wie sensitiv die Optimierungsergebnisse von den verwendeten Parametern der Algorithmen (wie z.B. Ensemblegröße, Temperatur oder Mutationsrate) abhängen und das ein relativ scharf umrissenes evolutionäres Fenster der Parameter existiert, innerhalb dessen die Optimierungsresultate deutlich besser sind. Eine im Rahmen dieser Arbeit entwickelte adaptive Parametersteuerung wird an den im zweiten Teil vorgestellten Modellproblemen getestet und gezeigt, daß es möglich ist, den Optimierungsprozeß automatisch innerhalb des evolutionären Fensters zu halten. Der letzte Teil gibt Einblick in die im Rahmen dieser Arbeit verwendete Computer-Software und das vom Autor entwickelte Programmpaket. Es wird hervorgehoben, daß die in C++ objektorientiert und modular geschriebene Software leicht an andere Optimierungsaufgaben angepaßt werden kann und dank graphischer Benutzeroberfläche auch einfach zu bedienen ist. / This work explores Evolutionary Algorithms and their application to optimization tasks. The work's first part gives detailed theoretical background information necessary to understand the problem and proposed solutions. This theoretical part includes the introduction of fitness landscapes, the investigation of their properties, and it briefly reiterates well known stochastic optimization strategies like Simulated Annealing. Finally, new strategies, in particular mixed stategies, are introduced and compared to traditional optimization techniques. In the second part of this work, the newly developed strategies are benchmarked using model problems such as 'Frustrated Periodic Sequences', or the analysis of RNA secondary structures. To evaluate the efficiency of different optimization strategies, the introduced model problems are compared with respect to their difficulty level. The third part of this work presents results of extensive numerical simulations demonstrating how sensitive the investigated algorithms depend on their respective control parameters (ensemble size, temperature, mutation rate). It is shown that there is always a distinct parameter window, the so-called evolutionary window, that clearly leads to improved optimization results. Going back to the model problems introduced in part two, a newly developed adaptive parameter control is presented that automatically keeps the optimization algorithm's parameters within the evolutionary window. In the final part of this work not only the software used, but also the software newly developed by this work's author is illuminated. It is emphasized that the new software was designed highly flexible to allow for easy adaptation to different optimization problems. A graphical user interface is provided for convenience.

Um das mikroskopische Verhalten der Gravitation zu beschreiben, ist es nötig, Quantenfeldtheorie und allgemeine Relativitätstheorie in einer vereinheitlichten Sprache zu formulieren. Eine Möglichkeit dieses Problem anzugehen ist es, die Punktteilchen der Quantenfeldtheorie durch fadenförmige Strings zu ersetzen. Allerdings erfordert die mathematische Konsistenz, dass sich die String in höherdimensionalen Raum-Zeiten bewegen; dies macht es jedoch sehr schwer, physikalische Konsequenzen zu extrahieren. Eine mögliche Lösung dieses Problems ist die Verwendung von String-Dualitäten, welche die Stringtheorie mittels holographischer Beschreibungen mit Eichtheorien auf dem Rand der Raum-Zeit verbinden. Die Dualitäten sind begründete Vermutungen, die die String- und Eichtheorie bei unterschiedlichen Werten der Kopplung gleichsetzen. Nicht zuletzt deshalb ist eine direkte Überprüfung der Dualitäten schwierig durchführbar. Hier hilft jedoch die sehr bemerkenswerte Tatsache, dass eine verborgene Eigenschaft der Vermutungen Integrabilität zu sein scheint, welche eine Extrapolation zwischen starker und schwacher Kopplung ermöglicht. Desweiteren kann das gesamte Spektrum, in gewissen vereinfachenden Grenzfällen, durch einen kompakten Satz von Bethe-Gleichungen ausgedrückt werden. Die Bethe-Gleichungen, welche aus Eichtheorierechnungen hergeleitet und geraten werden, bieten ein exzellentes Hilfsmittel, die vermuteten Dualitäten zu prüfen. Durch das Vergleichen der Vorhersagen der Gleichungen und expliziten Berechnungen in der Stringtheorie erhält man starke Argumente für die Gültigkeit der Vermutung und der angenommenen Integrabilität. / In this thesis we study superstring theory on AdS$_5\, \times\,$S$^5$, AdS$_3\,\times\,$S$^3$ and $\adsfour$. A shared feature of each theory is that their corresponding symmetry algebras allows for a decomposition under a $\mathbb{Z}_4$ grading. The grading can be realized through an automorphism which allows for a convenient construction of the string Lagrangians directly in terms of graded components. We adopt a uniform light-cone gauge and expand in a near plane wave limit, or equivalently, an expansion in transverse string coordinates. With a main focus on the two critical string theories, we perform a perturbative quantization up to quartic order in the number of fields. Each string theory is, through holographic descriptions, conjectured to be dual to lower dimensional gauge theories. The conjectures imply that the conformal dimensions of single trace operators in gauge theory should be equal to the energy of string states. What is more, through the use of integrable methods, one can write down a set of Bethe equations whose solutions encode the full spectral problem. One main theme of this thesis is to match the predictions of these equations, written in a language suitable for the light-cone gauge we employ, against explicit string theory calculations. We do this for a large class of string states and the perfect agreement we find lends strong support for the validity of the conjectures.

Unter den Methoden zur Suche nach Neutrino Ereignissen in IceCube versprechen Suchen nach Teilchenschauern, sogenannten Kaskaden eine gute Energieauflösung und einen verhätlnismässig geringen atmosphärischen Untergrund. Dadurch erreichen solche Suchen eine hohe Sensitivität für einen extraterrestrischen Neutrino Fluss. Bisher beschränkte sich die Suche nach solchen Ereignissen auf solche in einer inneren Region des IceCube Detektors. Das Detektorvolumen am Rand wurde bisher benutzt um den Untergrund von einfallenden atmosphärischen Muonen zu Unterdrücken. Diese Dissertation präsentiert eine Analyse von 2 Jahren IceCube Daten und demonstriert die Möglichkeit, diese Veto Region für die Suche nach kaskadenartigen Ereignissen zu nutzen. Dadurch wird das nutzbare Detektorvolumen um « 80% vergrößert und die Statistik im hochenergetischen Bereich des Neutrino Spektrums durch das Hinzufügen von 18 Neutrino Kandidaten im Energiebereich von 34 - 578 TeV erhöht. Das Ergebnis ist in Übereinstimmung mit dem etablierten Nachweis eines extraterrestrischen Neutrino Flusses, eine reine Untergrund Hypothese kan mit 2.7 sigma verworfen werden und die Daten favorisieren einen extraterrestrischen Neutrino Fluss mit einem ungebrochen Potenzgesetz mit einem Index von γ ^ 2.50+-0.28 in guter Übereinstimmung mit bisherigen Ergebnissen von IceCube. / Among the analysis strategies used in IceCube, searches for neutrinoinduced particle showers, so called cascades, provide good energy resolution and a relative low atmospheric background. Therefore, they provide large sensitivity to the extraterrestrial neutrino flux. Previously, these searches have been constrained to neutrino interactions in a center region of the instrumented volume. The volume at the border and surrounding the detector was needed to veto the incident atmospheric muon background. This dissertation presents an analysis of two years of IceCube data and demonstrates the feasibility of using the veto region for cascade searches. This increases the usable detector volume by « 80% and improves the statistic in the high-energy tail of the neutrino spectrum by adding 18 neutrino candidates in the energy range from 34 to 576 TeV. The result is supports the established evidence for the extraterrestrial neutrino flux by rejecting the pure atmospheric background hypothesis at the 2.7 sigma level, the data prefers an extraterrestrial neutrino flux with a featureless power law with an index of γ^2.50+-0.28 well in agreement with previous IceCube results.

Das Higgs-Teilchen ist essentiell für die Erzeugung von Massen für Fermionen und Eich- bosonen der schwachen Wechselwirkung. Ziel dieser Arbeit ist es, die Masse und die Zerfallsbreite des Higgs-Teilchens einzugrenzen. Grundlage für die Berechnung physikalischer Größen ist dabei das Pfadintegral, welches mittels Monte-Carlo Simulationen bestimmt wird. Ein polynomieller Hybrid-Monte- Carlo-Algorithmus berücksichtigt dabei alle dynamischen Freiheitsgrade der Fermionen. Die chirale Natur der Fermionen werden mit Hilfe des Neuberger- Overlap-Operators beschrieben. In dieser Arbeit wird das Standardmodell auf den Higgs-Yukawa-Sektor eingegrenzt, welcher keine Eichbosonen enthält und lediglich ein degeneriertes Quark-Doublet berücksichtigt. Anhand des Higgs-Teilchen-Propagators werden die Ergebnisse aus der Git- terstörungsrechnung bis zu einer Schleife mit denen aus der Monte-Carlo- Simulation verglichen. Für die untersuchten Parameter, stimmen die Ergeb- nisse aus der Störungstheorie mit den Monte-Carlo-Daten sehr gut überein. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Analyse der Resonanzparameter des Higgs-Teilchens. Die Resonanzmasse und die Resonanzbreite werden bei schwachen als auch bei starken quartischen Kopplungen untersucht. Das Higgs-Teilchen erscheint nicht als asymptotisch stabiles Teilchen, sondern als Resonanz. In allen Fällen liegt die Resonanzbreite unter 10% der Resonanzmasse. Die Resonanzmasse wird sodann mit der Propagatormasse verglichen. Für alle betrachteten Kopplun- gen gibt es eine hervorragende Übereinstimmung beider Größen. Zuletzt gilt es, den Einfluss einer schweren vierten Generation von Quarks auf die obere und untere Massenschranke des Higgs-Teilchens zu untersuchen. Alle numerischen Resultate involvieren eine umfassende Analyse der Volu- menabhängigkeit und erfordern zwingend eine Extrapolation ins unendliche Volumen. / The Higgs boson is a central part of the electroweak theory and is crucial to generate masses for fermions and the weak gauge bosons. The goal of this work is to set limits on the mass and the decay width of the Higgs boson. The basis to compute the physical quantities is the path integral which is here evaluated by means of Monte Carlo simulations thus allowing for fully non perturbative calculations. A polynomial hybrid Monte Carlo algo- rithm is used to incorporate dynamical fermions. The chiral symmetry of the electroweak model is incorporated by using the Neuberger overlap operator. Here, the standard model is considered in the limit of a Higgs-Yukawa sector which does not contain the weak gauge bosons and only a degenerate doublet of top- and bottom quarks are incorporated. Results from lattice perturbation theory up to one loop of the Higgs boson propagator are compared with those obtained from Monte Carlo simulations. At all values of the investigated couplings, the perturbative results agree very well with the Monte Carlo data. A main focus of this work is the investigation of the resonance parameters of the Higgs boson. The resonance width and the resonance mass are investigated at weak and at large quartic couplings. The Higgs boson does not appear as an asymptotic stable state but as a resonance. In all considered cases the Higgs boson resonance width lies below 10% of the resonance mass. The obtained resonance mass is compared with the mass obtained from the Higgs boson propagator. The results agree perfectly at all values of the quartic coupling considered. Finally, the effect of a heavy fourth generation of fermions on the upper and lower Higgs boson mass bound is studied. All numerical results presented in this work involve extensive finite volume analysis and an extrapolation to infinite volume is inevitable.

In dieser Arbeit wurden auf Substratoberflächen adsorbierte Polymermoleküle mit Rasterkraftmikroskopie (RKM) untersucht. Dabei war die Form der Moleküle (Konformation) von besonderem Interesse. Sie ist von zentralerer Bedeutung in der Polymerphysik und wird üblicherweise in Lösung und mit Streumethoden untersucht. Polymerkonformationen auf Oberflächen sind heutzutage noch wenig untersucht. Üblicherweise wird das Verhalten nach dem so genannten Wormlike-Chain Modell angenommen. Es basiert auf der Annahme, dass die Kettenbiegung nur aus thermischen Fluktuationen resultiert, so dass sich die Kettenform durch statistische Mechanik beschreiben lässt. Es wurden für verschiedene Modellsystem einzelne Moleküle hochaufgelöst abgebildet und die Konformation aus den Bildern bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass die idealisierte Vorstellung des Wormlike-Chain Modells tatsächlich nur für wenige der untersuchten Systeme erfüllt ist. Abweichende Konformationen sind oft auffallend regelmäßig: entweder sinusartig mäandrierte oder spiralförmig gedrehte. Beide Charakteristika lassen sich aus dem Prozess der Adsorption erklären, was zeigt, dass die Moleküle auf dem Substrat immobil sind, so dass eine thermische Relaxation der Konformation verhindert ist. Konformtionen lassen sich mit RKM nicht nur beobachten, sondern auch gezielt verändern (Nanomanipulation). Für dendronisierte Polymere konnte so gezeigt werden, dass es einen glasartigen Zustand für das einzelne Molekül gibt. In diesem Zustand verhält sich das Molekül nicht mehr wie eine bewegliche Kette, sondern formstabil, ähnlich einem makroskopischen festen Körper. / In this work single polymer molecules adsorbed onto substrate surfaces were investigated by scanning force microscopy (SFM). The focus was on the shape (conformation) of the molecules, which is of central importance in polymer physics. It is commonly investigated in solutions and with scattering methods. Conformations on surfaces are only little investigated thus far. Often a behavior according to the so-called worm-like chain model is assumed. It is based on the assumption that chain bending results entirely from thermal fluctuations so that the overall chain shape can be described by statistical mechanics. For several model systems single molecules were imaged and the conformation was determined from the images. It was found that the idealistic wormlike chain behavior is only valid for a few systems. Deviations are often remarkable regular: either sine-like undulated or spiral wound. Both characteristics can be explained from the process of adsorption, indicating that molecules are immobile on the substrate so that thermal relaxation is inhibited. Conformations can not only be imaged using the SFM, but also changed in a defined way (nanomanipulation). Manipulation experiments with dendronized polymers the existence of a glassy state for the single polymer. In this state the molecule no longer behaves as a flexible chain but remains its shape, similar to a macroscopic solid body.

Diese Arbeit beschreibt das MBE-Wachstum und die Charakterisierung von Gruppe-III-Nitrid-Nanostrukturen. Die Arbeit beginnt mit dem katalysatorfreien Wachstum von GaN-Nanowires (NW) auf Si(111) mittels MBE. Es wird gezeigt, dass GaN NW als sph\"arische Inseln nukleieren und im weiteren Wachstum in eine NW-Geometrie übergehen. Die amorphe Zwischenschicht führt zum Verlust der epitaktischen Ausrichtung und somit zu gekippten Säulen und Koaleszenz. Diese Koaleszenz führt zur Enstehung von Versetzungen und Stapelfehlern in den Nanosäulen, welche einen starken Einfluss auf die optischen Eigenschaften haben: Während Versetzungen die Säulen optisch passivieren, haben Stapelfehler charakteristische Emissionen. Durch Kombination von Elektronenmikroskopie und Cathodolumineszenz wird die charateristische Wellenlänge eines Stapelfehlers gemessen. Epitaktisches Wachstum von GaN auf Si(111) kann durch die Verwendung einer AlN-Pufferschicht erreicht werden. Die Nukleation von GaN auf AlN/Si geschieht als linsenförmige Inseln. Im weiteren Verlauf des Wachstums erfolgen mehrere charakteristische Formübergänge, bei denen Facetten gebildet werden, um die Verspannung durch Gitterfehlanpassung elastisch zu relaxieren. Bei einer kritischen Inselgröße (und damit bei einem kritischen Spannungszustand) tritt eine platische Relaxation ein und es wird eine Versetzung an der AlN/GaN-Grenzfläche gebildet. Daraufhin tritt ein Übergang zur NW-Geometrie ein. Der dritte Teil dieser Arbeit beschreibt das Wachstum von (In,Ga)N/GaN NW Heterostrukturen. Mit MBE werden GaN NW mit zwei (In,Ga)N-Einschlüssen gewachsen. Die chemische Zusammensetzung wird mittels einer Kombination von hochauflösender Röntgenbeugung und einer Gitterverzerrungsanalyse von hochaufgelösten transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen bestimmt. Die Strukturanalyse zeigt, dass die (In,Ga)N-Einschlüsse vollkommen in die GaN-Matrix eingebettet sind, und dass keine plastische Relaxation stattfindet. / This work covers the MBE growth and characterization of group III-nitride nanostructures. The work begins with the catalyst-free growth of GaN nanowires (NWs) on Si(111) by plasma-assisted MBE. The importance of substrate preparation and the formation of an amorphous SiN interlayer are described. GaN NWs are shown to nucleate as spherical islands and to furhter undergo a shape transition towards the NW geometry. The amorphous interlayer leads to a loss in epitaxial alignment and thus to NW tilt and coalescence. Coalescence leads to the formation of dislocations and stacking faults (SFs) in the NWs which greatly affect their optical properties. Dislocations are shown to have a detrimental effect on the optical quality, whereas SFs are shown to have a characteristic emission wavelength. Epitaxial growth of GaN on Si(111) can be achieved by using an AlN buffer layer. The nucleation and growth GaN NWs on AlN-buffered Si(111) is shown to happen via the pseudomorphical nucleation of spherical islands. As these islands grow, they undergo several characteristical shape changes, with the formation of facets in order to elastically relieve the lattice-mismatch induced strain. At a critical island size (and thus strain level), plastic relaxation happens by the formation of a misfit dislocation at the AlN/GaN interface. A subsequent transition to the NW geometry is observed, driven by the anisotropy of surface energies. The third part of this work covers the growth of (In,Ga)N/GaN NW heterostructures. GaN NWs with two stacked (In,Ga)N insertions are grown by MBE. The chemical composition is assessed by combining synchrotron-based HRXRD and a geometrical phase analysis of HRTEM micrographs. The structural analysis reveals that the (In,Ga)N insertions are embedded in the GaN matrix and that no plastic relaxation happens. The In content is shown to vary within a single insertion: The top region is more In rich due to In segretation during growth.

Diese Arbeit präsentiert ein modernes Michelson-Morley Experiment, welches genauere Grenzwerte für Testparameter liefert, die eine Verletzung der Lorentzinvarianz modellieren. Die Messung setzt einen oberen Grenzwert für eine Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit im Bereich von dc/c ~10^-16. Das Experiment vergleicht die Frequenzen zweier optischer Hoch-Finesse Resonatoren, wobei einer dieser Resonatoren kontinuierlich auf einem Drehtisch rotiert. Um die Eigenfrequenzen der Resonatoren abzufragen, werden die Frequenzen zweier Nd:YAG-Laser auf die Resonatoren stabilisiert. Die relative Frequenzstabilität auf der Zeitskala einer Tischdrehung (~45s) liegt bei ~1x10^-14, limitiert durch das thermische Rauschen der Resonatorspiegel. Die Messung erstreckt sich über einen Zeitraum von einem Jahr, wobei mehr als 10^5 Tischumdrehungen eingehen. Ausführlich werden die systematischen Effekte und ihre Unterdrückung auf Signalamplituden unter 1 Hz dargestellt. Im Vergleich zu vorhergehenden Messungen konnten diese systematischen Effekte um einen Faktor 10 bis 100 reduziert werden. Zwei verschiedene Testtheorien wurden herangezogen, um ein Signal für eine Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit als Folge einer Verletzung der Lorentzinvarianz zu modellieren: eine die Lorentzinvarianz verletzende Erweiterung des Standardmodells und die Testtheorie von Robertson, Mansouri und Sexl. Es wird eine Analyse der Daten im Rahmen beider Testtheorien präsentiert, und Grenzwerte auf die relevanten Parameter werden bestimmt. Diese Grenzwerte schränken eine Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit im Bereich von 10^-16 ein, d.h. etwa 10 mal genauer als die Ergebnisse vorangegangener Messungen. Schließlich wird ein Ausblick auf einen verbesserten Aufbau gegeben, welcher neue Resonatoren zum Einsatz bringt, und es werden erste verbesserte Resultate präsentiert. Damit steht der Weg offen für eine Langzeit-Messung, welche die Grenze für eine Anisotropie der Lichtgeschwindigkeit bis in den Bereich von dc/c~10^-17 drücken wird. / This thesis presents a modern Michelson-Morley experiment, which provides improved limits on test parameters that model a violation of Lorentz invariance in electrodynamics. The measurement sets an upper limit on an anisotropy of the speed of light at a level of dc/c~10^-16. The experiment compares the resonance frequencies of two optical high-finesse cavities, one of them continuously rotating on a turntable. To read out their resonance frequencies, two Nd:YAG lasers are frequency-stabilized to these cavities. On the timescale of a turntable rotation (~45s), a relative frequency stability of ~1x10^-14 is achieved, limited by thermal noise of the cavity mirrors. The measurement extends over one year and includes ~10^5 rotations. The systematic effects compromising the measurement are described in detail, together with the measures that have been taken to suppress systematic effects below 1 Hz. This is a reduction by a factor of up to 100 as compared to preceding experiments. Two different test theories are applied to derive a signal for an anisotropy of the speed of light as a consequence of a violation of Lorentz invariance: a Lorentz violating extension of the standard model and the test theory by Robertson, Mansouri and Sexl. An analysis of the data within these two test models is presented, and limits on the relevant test parameters are deduced. These limits restrict an anisotropy of the speed of light at a level of 10^-16, which is a factor of ten more stringent as compared to results of previous such measurements. Finally, an outlook on an improved setup with new cavities and and first results from this setup are presented. This setup should allow for another order of magnitude improvement of the experiment''s sensitivity within a following long-term measurement aiming for the dc/c ~10^-17 level of accuracy.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den molekularen Prozessen der Lipidanreicherung in der Gallenflüssigkeit. Leberzellen (Hepatozyten) sind polare Zellen, die für die Sekretion der Gallenflüssigkeit verantwortlich sind. Die Anbindung an den Blutkreislauf besteht über die basolaterale Membran. Durch die gegenüberliegende, sogenannte apikale Membran werden zwischen benachbarten Leberzellen tubuläre Stukturen (bile canaliculi, BC) gebildet, in die die Gallenflüssigkeit abgesondert wird. Daher wird diese Membran auch als Canalicularmembran (CM) bezeichnet. Die Gallenflüssigkeit besitzt hinsichtlich ihrer Lipidzusammensetzung eine bemerkenswerte Spezifität. Obwohl der Anteil von Phosphatidylcholin (PC) an den Phospholipiden der CM nur 35% beträgt, macht es 95% der Phospholipide der Gallenflüssigkeit aus. Mögliche Mechanismen, die zur Spezifität der Lipidsekretion in die Gallenflüssigkeit führen, werden untersucht und diskutiert. Phospholipide werden aus der äußeren Lamelle der CM durch Gallensalze herausgelöst. Die Wechselwirkung von Gallensalzen mit Phospholipiden ist kopfgruppenunspezifisch. Eine Solubilisierung von Phosphatidylserin (PS) und Phosphatidylethanolamin (PE) durch Gallensalze könnte durch die Wirkung einer Aminophospholipidtranslokase (APLT) verhindert werden, die diese Lipide aktiv auf die zytoplasmatische Seite der Membran pumpt. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurden Versuche durchgeführt, um die Aktivität einer APLT in der CM nachzuweisen. Dabei wurde die Hepatomazelllinie HepG2 eingesetzt, die in der Lage ist, Canalicularvakuolen (BC) zu bilden. Zunächst wurde die Einwärtsbewegung einer Reihe fluoreszierender Lipidanaloga mit unterschiedlicher Affinität zur APLT charakterisiert. Dies geschah an der basolateralen Membran von HepG2 Zellen, wo eine APLT-Aktivität bereits bekannt ist. Die Aufnahme geeigneter APLT-Substrate konnte durch den APLT-Inhibitor Suramin reduziert werden. Ebenso wurde die Affinität eines Paares von PS-Analoga bestätigt, von denen Diether PS ein "schlechtes" und Diacyl PS ein "gutes" APLT-Substrat darstellt. Im zweiten Schritt wurde die Anreicherung der gleichen Analoga in BC von HepG2 Zellen untersucht. Es ergab sich eine auffallende Korrelation zwischen einer APLT vermittelten Aufnahme von Phospholipidanaloga an der basolateralen Membran und dem Fehlen dieser Analoga im Lumen der BC. Wenn Zellen mit Phospholipiden markiert wurden, die keine oder nur "schlechte" APLT-Substrate darstellen, erschienen die BC stark fluoreszierend. Diese Beobachtungen zeigen, dass eine APLT-Aktivität in der CM von Hepatozyten vorhanden ist, welche das Fehlen der Aminophospholipide in der Gallenflüssigkeit erklärt. Ein zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit war die Untersuchung der Rolle von MDR-Proteinen (wie MDR3) bei der Lipidsekretion in die Gallenflüssigkeit. Aufgrund bisheriger Arbeiten wird vermutet, dass MDR3 daran als spezifischer Membrantransporter für PC beteiligt ist. In der vorliegenden Arbeit konnte jedoch gezeigt werden, dass verschiedene MDR-Inhibitoren die Anreicherung fluoreszierender Phospholipidanaloga in den BC von HepG2 Zellen nur wenig reduzieren. Diese Beobachtung kann unter der Annahme erklärt werden, dass MDR3 eher für die Exposition von PC an der lumenalen Seite der CM verantwortlich ist, als für den Tranport von PC über die Membran. Solche "Liftase"-Aktivität von MDR3 könnte endogenes PC der Detergenzwirkung von Gallensalzen zugänglich machen, ein Prozess, der für die hydrophileren fluoreszierenden PC-Analoga nicht nötig ist. Im dritten Teil wird die Rolle von Sphingolipiden und die Bildung von "Rafts" in der CM behandelt. Solche Membrandomänen sollten die Solubilisierung von Spingolipiden in die Gallenflüssigkeit verhindern. Eine Anreicherung fluoreszierender Sphingolipidanaloga in den BC wurde jedoch nachgewiesen, was darauf hindeutet, dass die verwendeten Analoga das Verhalten endogener Sphingolipide in der CM nicht korrekt wiederspiegeln. Im abschließenden Teil dieser Arbeit wurden die Grundlagen für eine Methode zur Aufklärung der physikochemischen Prozesse der Lipidsekretion an der Canalicularmembran gelegt. Die starke Umgebungsabhängigkeit der Fluoreszenzlebensdauer für verschiedene fluoreszierende Lipidanaloga wurde in einer Reihe von Modellumgebungen analysiert und deren Nutzbarkeit für die Vorhersage der Lipidorganisation geprüft. Insbesondere wurde die Wechselwirkung verschiedener Gallensalze mit Lipidanaloga und der Fluoreszenzresonanzenergietransfer zwischen verschiedenen Lipidanaloga charakterisiert. Diese Daten sind Ausgangsbasis für die mikroskopische Charakterisierung der Organisation von Lipidanaloga in den BC in vivo. / This thesis addresses the molecular processes which are important in the formation of bile fluid. The polar liver cells (hepatocytes) secrete the bile fluid at their apical (canalicular) membrane into tubular bile canaliculi (BC) which are formed between adjacent cells. The basolateral membrane of hepatocytes faces the blood vessel. Bile fluid possesses a remarkable specificity regarding its lipid composition. Even though phosphatidylcholine (PC) contributes to only 35% of the phospholipids in the canalicular membrane, it constitutes 95% of biliary phospholipids. In this thesis possible mechanism that might lead to the specificity in biliary lipid secretion are analysed and discussed. Phospholipids are secreted from the outer leaflet of the canalicular membrane into bile by the effect of bile salts. The interaction of bile salts with phospholipids was shown to be independent of the phospholipid headgroup. Solubilisation of phosphatidylserine (PS) and phosphatidylethanolamine (PE) by bile salts could be prevented by the action of an aminophospholipid translocase (APLT) which actively pumps these lipids to the cytoplasmic leaflet of the membrane. Experiments to demonstrate a canalicular APLT activity were performed to proof this hypothesis. For this, the hepatoma cell line HepG2 which is able to polarise and to form a canalicular vacuole (BC) was utilised. A panel of fluorescent lipid analogues with different affinities to this transporter was used and first characterised at the basolateral membrane of HepG2 cells, where an APLT activity was already demonstrated. The rapid APLT mediated uptake of aminophospholipid analogues representing appropriate substrates of APLT was reduced by applying the inhibitor suramin. The affinity of a pair of PS analogues with diether NBD-PS as a poor APLT substrate and diacyl NBD-PS representing a suitable substrate was confirmed. In a next step the enrichment of the same phospholipid analogues in the BC was investigated. There was a striking correlation between APLT mediated uptake of phospholipid analogues at the basolateral membrane and absence of these analogues from the BC. In the case of phospholipid analogues that were no or poor substrates of APLT the BC appeared highly fluorescent, indicating that indeed a canalicular APLT is responsible and sufficient for biliary absence of aminophospholipids. Further experiments were aimed on the investigation of the role of MDR proteins (as MDR3) in biliary lipid secretion. It has been proposed that MDR3, which is crucial for biliary phospholipid secretion, acts as a specific flippase for PC. However, different MDR inhibitors did not completely abolish the enrichment of fluorescent phospholipid analogues in the BC in this study. This observation can be explained assuming that MDR3 is responsible for the exposure of PC at the lumenal side of the canalicular membrane rather than for its transport across the membrane. Such a "liftase" activity of MDR could make endogenous PC accessible to the detergent bile salts which is not necessary for its more hydrophilic fluorescent analogues. The third part of this thesis addressed the role of sphingolipids and the formation of detergent resistant rafts in the canalicular membrane. Rafts are thought to prevent sphingolipid solubilisation into bile. Fluorescent sphingolipid analogues were found to enrich in the BC even at low temperatures, however. These experiments suggest that the applied analogues might not suitably represent the majority of sphingolipids in the canalicular membrane. The final part of this study provides the basis for a method to investigate the physico-chemical processes occurring during lipid secretion at the canalicular membrane. The sensitivity of fluorescence life times on environmental changes was analysed using fluorescent lipid analogues in a set of model environments and its utility for predicting biliary lipid organisation is discussed. Especially the interaction of different bile salts with lipid analogues and fluorescence energy transfer between distinct lipid analogues was characterised. These data can be utilised for characterisation of the organisation of biliary enriched lipid analogues in vivo at a microscopic level in future.

Van der Waals-Wechselwirkungen (vdW) sind allgegenwärtig und spielen eine zentrale Rolle in einer großen Anzahl biologischer und moderner synthetischer Materialien. Die am weitesten verbreitete theoretische Methode zur Berechnung von Materialeigenschaften, die Dichtefunktionaltheorie (DFT) in semilokaler Näherung, vernachlässigt diese Wechselwirkungen jedoch größtenteils, was zur Entwicklung vieler verschiedener vdW-Modelle führte. Die hier vorgestellte Arbeit ebnet den Weg hin zu einem vereinheitlichten vdW-Modell welches die besten Elemente der unterschiedlichen Klassen von vdW-Modellen vereint. Zu diesem Zweck haben wir einen vereinheitlichten theoretischen Rahmen geschaffen, der auf dem Reichweite-separierten Adiabatischer-Zusammenhang-Fluktuations-Dissipations-Theorem aufbaut und die meisten existierenden vdW-Modelle umfasst. Wir analysieren die MBD-korrelierte Wellenfunktion am prototypischen Beispiel von π–π-Wechselwirkungen in supramolekularen Komplexen und stellen fest, dass diese Wechselwirkungen größtenteils durch delokalisierte kollektive Ladungsfluktuationen entstehen. Um zu dem langreichweitigen vdW-Modell ein ausgewogenes kurzreichweitiges Dichtefunktional zu identifizieren, präsentieren wir eine umfassende Untersuchung zum Zusammenspiel der kurz- und langreichweitigen Energiebeiträge in acht semilokalen Funktionalen und drei vdW-Modellen für eine große Spanne von Systemen. Die Bindungsenergieprofile vieler der DFT+vdW-Kombinationen unterscheiden sich sowohl quantitativ als auch qualitativ stark voneinander. Schließlich untersuchen wir die Performance des Vydrov–Van Voorhis-Polarisierbarkeitsfunktionals über das Periodensystem der Elemente hinweg und identifizieren eine systematische Unterschätzung der Polarisierbarkeiten und vdW-C₆-Koeffizienten für s- und d-Block-Elemente. Als Lösung entwickeln wir eine orbitalabhängige Verallgemeinerung des Funktionals. / The ubiquitous long-range van der Waals interactions play a central role in nearly all biological and modern synthetic materials. Yet the most widely used theoretical method for calculating material properties, the density functional theory (DFT) in semilocal approximation, largely neglects these interactions, which motivated the development of many different vdW models. The work in this thesis paves way towards a unified vdW model that combines best elements from the different classes of the vdW models. To this end, we developed a unified theoretical framework based on the range-separated adiabatic-connection fluctuation--dissipation theorem that encompasses most existing vdW models. We analyze the MBD correlated wave function on the prototypical case of π–π interactions in supramolecular complexes and find that these interactions are largely driven by delocalized collective charge fluctuations. To identify a balanced short-range density functional to accompany the long-range vdW model, we present a comprehensive study of the interplay between the short-range and long-range energy contributions in eight semilocal functionals and three vdW models on a wide range of systems. The binding-energy profiles of many of the DFT+vdW combinations differ both quantitatively and qualitatively, and some of the qualitative differences are independent of the choice of the vdW model. Finally, we investigate the performance of the Vydrov—Van Voorhis polarizability functional across the periodic table, identify systematic underestimation of the polarizabilities and vdW C₆ coefficients for s- and d-block elements, and develop an orbital-dependent generalization of this functional to resolve the issue.

Deutsche Zusammenfassung Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich einerseits mit der Suche nach atmosphärischen Myonneutrinos und andererseits mit der Suche nach extraterrestrischen Neutrinopunktquellen in dem Datensatz, welcher im Jahre 1997 durch den AMANDA-Detektor aufgenommenen wurde. In dieser Arbeit wird zunächst die kosmische Strahlung eingeführt. Die Suche nach den Quellen dieser Strahlung wurde bisher insbesondere mit Hilfe der geladenen kosmischen Strahlung selber, sowie mit Hilfe von Cherenkovteleskopen für Gammastrahlen durchgeführt. Die mit diesen Techniken gewonnenen Erkenntnisse lassen bisher jedoch noch keine eindeutigen Schlüsse über die Quellen der geladenen kosmischen Strahlung zu. Dies motiviert den Versuch, mit Hilfe der Neutrinoastronomie ein neues Fenster zu den Quellen zu eröffnen. Es gibt theoretische Modelle für verschiedene potentielle Neutrinoquellen. Szenarien, in denen massive Teilchen zerfallen und die Zerfallsprodukte ihre kinetische Energie aus der freigewordenen Ruhemasse gewinnen, spielen in dieser Arbeit eine untergeordnete Rolle. Ausführlicher dargestellt werden die konventionellen Modelle, in denen geladene Teilchen mit Hilfe der sogenannten Fermibeschleunigung in astrophysikalischen Schockwellen und/oder Magnetfeldern beschleunigt werden. Hochenergetische Neutrinos entstehen nur bei Quellen, welche Hadronen beschleunigen. Insbesondere die Klasse der aktiven galaktischen Kerne (AGNs) sind hierbei interessant. Die vor einigen Jahren entwickelten vereinheitlichten AGN-Schemata sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg, diese Objekte zu verstehen. Andere potentielle Quellen sind Supernovae und ihre überreste, Mikroquasare, sowie die Quellen hochintensiver Gammastrahlenausbrüche (GRBs). Hoch spekulativ sind Quellen, welche im elektromagnetischen Spektrum unsichtbar sind, oder auch bisher vollkommen unerwartete Quellen. Unabhängig von der genauen Natur möglicher Neutrinoquellen müssen für die Beschreibung der von ihnen ausgesendeten Neutrinoflüsse Oszillationseffekte zwischen den verschiedenen Neutrinofamilien berücksichtigt werden. Der Nachweis der hochenergetischen Neutrinos soll mit dem AMANDA-Detektor oder ähnlichen Teleskopen erfolgen. Das derzeitige AMANDA-Teleskop AMANDA-II wurde in den Jahren 1995 bis 2000 aufgebaut. Es basiert auf dem Nachweis von neutrinoinduzierten Myonen mit Hilfe des Cherenkoveffektes. Das Cherenkovlicht wird hierbei von, in einem Gitter angeordneten, großen Sekundärelektronenvervielfachern registriert. Die gewonnene Zeitinformation erlaubt eine Richtungsrekonstruktion. Das Charakteristikum für ein Neutrinoereignis ist ein aufwärts laufendes Myon, da das Neutrino das einzige bekannte Teilchen ist, welches die Erde durchqueren und ein aufwärts laufendes Myon erzeugen kann. Die vorliegende Arbeit untersucht Daten, die mit Hilfe des AMANDA-B10-Detektors im Jahre 1997 genommen wurden. Die Daten bestehen aus etwa $10^9$ atmosphärischen Myon- und etwa 5000 atmosphärischen Neutrinoereignissen. Um die experimentell gewonnenen Daten analysieren zu können, wird der Vergleich zu simulierten Daten benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Flüsse atmosphärischer Myonen mit den Programmen basiev und Corsika, Flüsse neutrinoinduzierter Myonen mit nusim und nu2mu generiert. Während eine hohe Zahl von neutrinoinduzierten Myonen simuliert werden konnte, blieb die Zahl der simulierten atmosphärischen Myonen weit hinter der Zahl der experimentell gemessenen zurück. Die Propagation der simulierten Myonen sowie die Detektorsimulation erfolgte mit den Programmen mudedx bzw. amasim. Die Zeit-, Orts- und Amplitudeninformationen der gemessenen -- wie auch der simulierten -- Daten wurden anschließend kalibriert. Das erste Ziel der Analyse war die Extrahierung eines Satzes atmosphärischer Neutrinos und ein Verständnis der absoluten Sensitivität des Detektors. Die hierfür notwendige Prozessierung der Daten erfolgte in mehreren Schritten. Dabei wechselten sich immer exaktere (aber auch immer langsamere) Richtungsrekonstruktionen mit immer strengeren Qualitäts- und Winkelschnitten zur Datenreduktion ab. Die Rekonstruktionen bestanden sowohl aus schnellen analytischen Richtungsapproximationen, wie auch aus solchen, die auf langsamen Minimierung von Likelihoodfunktionen basierten. Die Schnitte wurden auf topologische Grössen, wie auch auf Parameter, welche aus der Rekonstruktion gewonnen wurden, angewandt. Die Schnitte waren notwendig, um Neutrinoereignisse aus dem weit zahlreicheren Untergrund atmosphärischer Myonenereignisse herauszufiltern. Es wurden zwei stark reduzierte Datensätze ("BG-10" mit 223 Ereignissen und "BG-100" mit 369 Ereignissen) aus den gemessenen Daten extrahiert. Es konnte gezeigt werden, dass hiervon ca. 15 bzw. 100 Ereignisse durch atmosphärische Myonen bedingt waren. Die Ergebnisse stimmen sehr gut mit der Erwartung für atmosphärische Neutrinos überein, wobei die Erwartung eine Unsicherheit von bis zu 63% aufweist. Mit dem BG-10 Datensatz war somit das erste Ziel der Analyse erfüllt. Der BG-100 Datensatz sollte dem zweiten Ziel dieser Arbeit dienen: der Suche nach extraterrestrischen Neutrinoquellen. Für dieses zweite Ziel musste zunächst mit der effektiven Fläche} ein Maß für die Sensitivität des Detektors bezüglich extraterrestrischer Neutrinos eingeführt werden. Anschließend wurde die Güte der Richtungsrekonstruktion bestimmt. Hiermit konnte die optimale Grösse der zu benutzenden Suchfenster festgelegt werden. Für diese Suchfenster wurde dann die Effizienz der Rekonstruktion bestimmt. Die Effizienz ist ein Maß für den Anteil der Neutrinoereignisse, für den die Rekonstruktion korrekt bestimmt, aus welchem Suchfenster sie stammen. Nach diesen vorbereitenden Untersuchungen konnte die Quellsuche beginnen. Für diese Suche waren nun sowohl atmosphärische Myonereignisse, als auch Ereignisse, die durch atmosphärische Neutrinos hervorgerufen wurden, Untergrund. Für die Suche wurden drei verschiedene Strategien angewendet. Zunächst wurde ein Netz aus 374 aneinander angrenzenden Suchfenstern konstruiert. Basierend auf der erwarteten Anzahl von Untergrundereignissen für jedes Suchfenster wurden Wahrscheinlichkeiten berechnet, dass die Ereignisse ausschließlich Untergrundereignisse sind. Durch die große Zahl an Suchfenstern gab es einige Fenster, bei denen diese Wahrscheinlichkeit recht gering war. Insgesamt jedoch gab es keinen signifikanten Hinweis darauf, dass die Messung nicht auschließlich durch Untergrund erklärt werden kann. Die zweite Strategie bestand in dem Versuch, mit Hilfe einer Clusteranalyse Punktquellen zu finden. Auch hier wurden keine Hinweise auf Punktquellen gefunden. Schließlich wurde in Richtung von 62 vorselektierten potentiellen Quellen nach Ereignisüberschüssen gesucht -- ebenfalls ohne ein positives Ergebnis. Daraufhin wurden obere Flussgrenzen abgeleitet. Diese Grenzen wurden sowohl richtungsunabhängig als auch für die zuvor selektierten potentiellen Quellen berechnet. In beiden Fällen wurde dabei für das Quellspektrum ein spektraler Index gamma = -2 angenommen. Für Neutrinoenergien E > 10 GeV und Deklinationen > 33 Grad wurden integral folgende globale, obere Flussgrenzen berechnet: Myonfluss: 1.41 * 10^-14 cm^-2 s-1 und Neutrinofluss: 1.65 * 10^-7 cm^-2 s^-1 . Nach der "Eichung" am Fluss atmosphärischer Neutrinos konnte die systematische Unsicherheit auf diese Grenzen zu 46% (systematisch) plus 7% (statistisch) abgeschätzt werden. Für die 62 ausgewählten Quellen wurden individuelle Flussgrenzen berechnet. Diese waren im Durchschnitt etwa einen Faktor drei besser als die integralen Grenzen für den entsprechenden Deklinationsbereich. Bei 48 potentiellen Quellen waren dies sowohl die ersten Grenzen auf ihren Neutrino- als auch die ersten Grenzen auf ihren neutrinoinduzierten Myonenfluss. Für eine weitere Quelle konnte erstmals eine Grenzen auf den Neutrinofluss abgeleitet werden. Bei den 14 restlichen Quellen konnten in fünf Fällen beide bisher publizierten Grenzen verbessert werden, in zwei weiteren zumindest die Grenze auf den Neutrinofluss. Im Anhang werden Daten bereitgestellt, mit denen die errechneten Grenzen auch in Grenzen für andere spektrale Indizes umgerechnet oder auch Grenzen für weitere Quellen abgeleitet werden können. / Abstract The young field of high energy neutrino astronomy can be motivated by the search for the origin of the charged cosmic rays. Large astrophysical objects like AGNs or supernova remnants are candidates to accelerate hadrons which then can interact to eventually produce high energy neutrinos. Neutrino-induced muons can be detected via their emission of Cherenkov light in large neutrino telescopes like AMANDA. More than 10^9 atmospheric muon events and approximately 5000 atmospheric neutrino events were registered by AMANDA-B10 in 1997. Out of these, 223 atmospheric neutrino candidate events have been extracted. This data set contains approximately 15 background events. It allows to confirm the expected sensitivity of the detector towards neutrino events. A second set containing 369 events (approximately 270 atmospheric neutrino events and 100 atmospheric muon events) was used to search for extraterrestrial neutrino point sources. Neither a binned search, nor a cluster search, nor a search for preselected sources gave indications for the existence of a strong neutrino point source. Based on this result, flux limits were derived. Assuming E^-2 neutrino spectra, typical flux limits for selected sources of the order of 10^-14 cm^-2 s^-1 for muon fluxes and 10^-7 cm^-2 s^-1 for neutrino fluxes have been obtained.