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L'astronomie de haute énergie se concentre sur l'étude des phénomènes les plus violents de l'univers à partir d'observations dans une gamme d'énergie allant des rayons X aux rayons gammas de très hautes énergies (1 keV - 100 TeV). Ces phénomènes incluent par exemple les explosions de supernovae et leurs vestiges, les pulsars et les nébuleuses de vent de pulsar ou encore la formation de jets ultrarelativistes au niveau des noyaux actifs de galaxie. Leur compréhension fait appel à des processus de physique des particules bien connus qui seront décrits dans cette thèse. Par l'intermédiaire de photons de haute énergie, l'étude de ces phénomènes de haute énergie ouvre donc une fenêtre originale pour la recherche de physique au delà du modèle standard. Les concepts relatifs à l'émission et la propagation de photons de haute énergie sont introduits dans cette thèse et appliqués à l'étude de l'émission de sources extragalactiques ainsi que du fond de lumière extragalactique, affectant la propagation des photons de haute énergie dans l'univers. Dans le cadre de cette thèse, ces sources extragalactiques de photons de haute énergie sont observées afin de rechercher de nouveaux bosons légers, tels que ceux appartenant à la famille des particules de type axion (PTA). Les bases théoriques décrivant cette famille de particules sont présentées, ainsi que la phénoménologie associée. Notamment, en raison de leur couplage à deux photons, ces particules ont la propriété d'osciller avec des photons en présence de champ magnétique externe. Une nouvelle signature de la présence de telles oscillations dans des champs magnétiques turbulents, sous la forme d'irrégularités stochastiques dans le spectre en énergie, est étudiée et discutée. Cette signature est appliquée à la recherche de PTA avec le réseau de télescopes HESS, permettant d'obtenir pour la première fois des contraintes sur ces modèles à partir d'observations en astronomie gamma. La recherche de la même signature dans des observations en rayons X permet d'améliorer les contraintes actuelles pour les PTA de très basse masse et l'extension de ces contraintes à des modèles de modification de la gravité comme explication de la nature de l'énergie noire est également évoquée. Enfin, la recherche de PTA avec l'instrument d'astronomie gamma du futur, CTA, est discutée; en particulier, une nouvelle observable est proposée qui tire partie du grand nombre de sources attendu avec cet instrument.

Referat: Das lyotrope Phasenverhalten und die molekulare Architektur von Membranen ausgewählter Dienlipi-de wird mittels Infrarot-(IR)-Spektroskopie untersucht. Doppelschichten aus synthetischen Lipiden haben sich als Strukturmodell biologischer Membranen bewährt. Durch den Einbau reaktiver Diengruppen können die Lipidmoleküle polymerisiert werden. Mögliche Anwendungen als biokompatible Materialien oder als Mikro-Hüllen für die Wirkstoffüber-tragung machen polymerisierte Lipidstrukturen und insbesondere Membranen interessant. Darüber hinaus stellen die Diengruppen eine definierte Störung der Membran dar, die die Untersuchung grundlegender Fragen der Membranarchitektur erlaubt. In der Arbeit wird ein besonderer Schwerpunkt auf die Hydratation von Lipidsystemen gelegt. Das lyotrope Phasenverhalten und die molekulare Struktur im polaren und hydrophoben Bereich von Lipi-den mit Diengruppen am Ende und am Anfang der Fettsäureketten werden detailliert analysiert. Der Einfluß der molekulargeordneten Umgebung auf die chemische Stabilität der Diengruppen in den Li-pidaggregaten, ihrer Konfiguration und die Struktur des polymeren Produkts werden untersucht. Abstoßende, kurzweitreichende Wechselwirkungen zwischen polaren, hydratisierten Oberflächen sind für die Stabilität kolloidaler Systeme und für biologisch relevante Prozesse, wie die Fusion von Zell-membranen, von großer Bedeutung. Die Untersuchung dieser Hydratationskraft vor und nach der Po-lymerisation der Lipidmembranen, sowie in Systemen unterschiedlicher Struktur im Kopfgruppenbe-reich der Membranen, lieferte Informationen über spezifische Beiträge, die durch die Bewegung ein-zelner Moleküle oder die intermolekularen Wechselwirkungen im polaren Bereich der Membranen hervorgerufen werden. Zur Aufklärung der molekularen Struktur der Lipidsysteme wird in erster Linie ihr IR-Lineardichroismus analysiert. Obwohl die Theorie der Absorption polarisierter elektromagnetischer Strahlung seit langem ausgearbeitet ist, fehlte bislang ein allgemeiner Formalismus zur Behandlung lamellarer, biaxialer Strukturen. Diese Lücke wird in dieser Arbeit geschlossen. Im theoretischen Teil wird der Zusammenhang zwischen der Absorption polarisierten Lichtes und der molekularen Ordnung betrachtet. Die Meßgröße, der IR-Ordnungsparameter, wird in kompakter Form als Funktion moleku-larer Ordnungsparameter ausgedrückt. Besondere Aufmerksamkeit wird der Technik der abge-schwächten Totalreflexion (ATR) gewidmet. Der potentielle Informationsgehalt ausgewählter Schwingungsmoden langkettiger Moleküle wird anhand der bekannten Struktur von Stearinsäurekri-stallen und DPPC-Membranen überprüft. Eine Reihe von für die praktische Anwendung der ATR-Spektroskopie wichtigen Details, wie der Einfluß der Doppelbrechung und die effektive Eindringtiefe des IR-Lichtes in die Probe, wird anhand von Beispielen untersucht. Eine zentrale Stellung nimmt der Lineardichroismus der intensiven Banden der C–H-Streckschwingungen der Fettsäureketten und vor allem der IR-aktiven Moden der Diengruppen ein.

Diese Arbeit befaßt sich mit der Koppelung von Vertex-Modellen an die planaren $\phi^4$-Zufallsgraphen des Zugangs zur Quantengravitation über dynamische Polygonifizierungen. Das betrachtete System hat eine doppelte Bedeutung, einerseits als die Koppelung einer konformen Feldtheorie mit zentraler Ladung $C=1$ an zweidimensionale Euklidische Quantengravitation, andererseits als Anwendung von geometrischer, "annealed" Unordnung auf ein prototypisches Modell der statistischen Mechanik. Da das Modell mit Hilfe einer großangelegten Reihe von Monte Carlo Simulationen untersucht wird, müssen entsprechende Techniken für die Simulation von dynamischen Quadrangulierungen bzw. die dualen $\phi^4$-Graphen entwickelt werden. Hierzu werden verschiedene Algorithmen und die dazugehörigen Züge vorgeschlagen und hinsichtlich ihrer Ergodizität und Effizienz untersucht. Zum Vergleich mit exakten Ergebnissen werden die Verteilung der Koordinationszahlen bzw. bestimmte Analoga davon konstruiert. Für Simulationen des $F$-Modells auf $\phi^4$-Zufallsgraphen wird ein Ordnungsparameter für den antiferroelektrischen Phasenübergang mit Hilfe einer Plakettenspindarstellung formuliert. Ausführliche "finite-size scaling"-Analysen des Kosterlitz-Thouless-Phasenübergangs des $F$-Modells auf dem Quadratgitter und auf Zufallsgraphen werden vorgestellt und die Positionen der jeweiligen kritischen Punkte sowie die dazugehörigen kritischen Exponenten werden bestimmt. Die Rückreaktion des Vertex-Modells auf die Zufallsgraphen wird in Form der Koordinationszahlverteilung, der Verteilung der "Baby-Universen" und dem daraus resultierenden String-Suszeptibilitäts-Exponenten sowie durch die geometrische Zweipunktfunktion analysiert, die eine Schätzung der intrinsischen Hausdorff-Dimension des gekoppelten Systems liefert. / In this thesis, the coupling of ice-type vertex models to the planar $\phi^4$ random graphs of the dynamical polygonifications approach to quantum gravity is considered. The investigated system has a double significance as a conformal field theory with central charge $C=1$ coupled to two-dimensional Euclidean quantum gravity and as the application of a special type of annealed connectivity disorder to a prototypic model of statistical mechanics. Since the model is analyzed by means of large-scale Monte Carlo simulations, suitable simulation techniques for the case of dynamical quadrangulations and the dual $\phi^4$ random graphs have to be developed. Different algorithms and the associated update moves are proposed and investigated with respect to their ergodicity and performance. For comparison to exact results, the co-ordination number distribution of the dynamical polygonifications model, or certain analogues of it, are constructed. For simulations of the 6-vertex $F$ model on $\phi^4$ random graphs, an order parameter for its anti-ferroelectric phase transitions is constructed in terms of a "plaquette spin" representation. Extensive finite-size scaling analyses of the Kosterlitz-Thouless point of the square-lattice and random graph $F$ models are presented and the locations of the critical points as well as the corresponding critical exponents are determined. The back-reaction of the coupled vertex model on the random graphs is investigated by an analysis of the co-ordination number distribution, the distribution of "baby universes" and the string susceptibility exponent as well as the geometric two-point function, yielding an estimate for the internal Hausdorff dimension of the coupled system.

Gegenstand der Arbeit ist die PFG NMR (nuclear magnetic resonance with pulsed field gradients), wobei speziell die apparativen und experimentellen Bedingungen untersucht werden, welche sich durch die Verwendung ultra-hoher gepulster magnetischer Feldgradienten von bis zu 35T/m ergeben. Motiv für die Arbeit ist die Untersuchung von Diffusionserscheinungen in mikroporösen Wirtssystemen mit inneren magnetischen Feldgradienten oder/und kurzen T2-Relaxationzeiten. Nach Zusammenstellung der notwendigen Werkzeuge zur mathematischen Beschreibung von PFG NMR-Experimenten werden die aus der Literatur bekannten Impulssequenzen kritisch untersucht und durch eigene Weiterentwicklungen ergänzt. Für wichtige PFG NMR-Impulssequenzen wird eine verallgemeinerte Schreibweise vorgestellt und auf beliebige Formen der gepulsten magnetischen Feldgradienten ausgedehnt. Weiterhin werden Störeinflüsse auf das PFG NMR-Experiment untersucht und zunächst in allgemeiner Form Möglichkeiten zu deren Beseitigung bzw. Unterdrückung dargestellt. Die so gewonnenen Erkenntnisse fanden konkrete Anwendung bei der Konzeption und dem Bau des PFG NMR-Spektrometers Fegris 400 NT. Dieses Gerät wird, soweit es den Gegenstand der Arbeit berührt, ebenfalls beschrieben und in der Anlage dokumentiert. Abschließend sind einige Untersuchungen, die mit dem Fegris 400 NT durchgeführt wurden und in der dargestellten Form erst mit diesem Gerät möglich waren, kurz skizziert, wobei für weitergehende Informationen auf die entsprechenden Veröffentlichungen verwiesen wird.

Turbulente Austauschprozesse in der atmosphärischen Grenzschicht spielen eine Schlüsselrolle beim vertikalen Impuls-, Energie- und Stofftransport in der Erdatmosphäre. In meso- und globalskaligen Atmosphärenmodellen sind turbulente Austauschprozesse jedoch subskalig und müssen unter Verwendung geeigneter Schliessungsansätze parametrisiert werden. Hierbei spielt die Spezifikation der charakteristischen Turbulenzlängenskala in Abhängigkeit vom Stabilitätszustand der Atmosphäre eine entscheidende Rolle. Gegenwärtig verwendete Ansätze, die auf der Verwendung der turbulenten Mischungslänge für neutrale Schichtung sowie dimensionsloser Stabilitätsfunktionen basieren, zeigen vor allem Defizite im oberen Bereich der konvektiven Grenzschicht sowie in der Entrainmentzone, wo starke vertikale Gradienten auftreten. In der vorliegenden Arbeit wurden hochaufgelöste dreidimensionale Grobstruktursimulationen der trockenen und feuchten Grenzschicht für ein weites Spektrum von Labilitätsbedingungen durchgeführt. Erste und zweite Momente atmosphärischer Strömungsvariablen wurden aus den simulierten hydro- und thermodynamischen Feldern berechnet und diskutiert. Die Spektraleigenschaften turbulenter Fluktuationen der Strömungsvariablen, das raumzeitliche Verhalten kohärenter Strukturen sowie charakteristische Turbulenzlängenskalen wurden abgeleitet. Eine Verifizierung der charakteristischen Turbulenzlängenskalen erfolgte durch Vergleich mit Ergebnissen früherer numerischer Simulationen, mit Turbulenzmessungen in der atmosphärischen Grenzschicht sowie mit Laborexperimenten. Mit Hilfe der nichtlinearen Datenmodellierung wurden leicht verwendbare Approximationen der charakteristischen Turbulenzlängenskalen abgeleitet und deren statistische Signifikanz diskutiert. Unter Verwendung dieser Approximationen wurde ein existierendes Parametrisierungsmodell revidiert und mit Hilfe von Grobstruktursimulationen verifiziert. Desweiteren wurde der Einfluß der turbulenten Mischungslänge auf die Prognose mesokaliger Felder untersucht. Hierzu wurde mit dem Lokal-Modell des Deutschen Wetterdienstes eine entsprechende Sensitivitätsstudie durchgeführt. Anhand von Satellitendaten und Analysedaten aus der 4D-Datenassimilation wurden die Simulationsergebnisse verifiziert.