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.

Les galaxies massives sont moins nombreuses que ce qui est attendu avec le modèle standard (le modèle Λ-CDM). Ceci ce traduit par une formation d’étoiles moins importante que prévue dans les galaxies. Pour expliquer celà, il est globalement accepté que des processus stoppent le formation d’étoiles. Pour les galaxies massives, ceci est expliqué par l’action des trous noirs supermassifs. En accrétant du gaz, le trou noir central produit de l’énergie et de l’impulsion. Quand l’accrétion devient importante, le trou noir forme un noyau actif de galaxie, et l’énergie peut ralentir la formation d’étoiles, par chauffage du gaz, de la turbulence, ou par ablation du gaz (feedback négatif). Cependant, il existe des cas de feedback positif qui favorise la formation d’étoiles en comprimant le gaz. En particulier, une partie des noyaux actifs produisent des jets de plasma qui sont observés en émission radio. Ces jets radio peuvent intéragir avec du gaz le long de leur direction de propagation. Des telles interactions sont susceptibles de déclencher de la formation d’étoiles (formation induite par les jets). Ma thèse porte sur les interactions jet-gaz dans des radio galaxies proches. J’ai étudié l’effet du jet sur l’efficacité de la formation d’étoiles pour des interactions à des échelles globales (quelques kiloparsecs) et intermédiaires (quelques centaines de parsecs). Pour celà, j’ai observé et cartographié le gaz moléculaire, qui est un élément clé de la formation d’étoiles. Cette phase froide est observable grâce aux équipements au sol actuels de radio astronomie, comme ALMA, APEX, NOEMA et le 30m de l’IRAM. / Massive galaxies are less abundant than predicted by the standard model of galaxy formation (the Λ-CDM model). This means that galaxies form less stars than expected. To explain this behaviour, it is commonly accepted that some processes are at play and quench star formation. For massive galaxies, it is explained by the feedback of the supermassive black holes. While accreting gas, the central black hole produces energy and momentum. When gas accretion becomes important, the black hole forms an active galactic nucleus, and the energy is expected to quench star formation, via gas heating, turbulence or gas removal (negative feedback). However, evidence is found of so-called AGN positive feedback that favours star formation by compressing the gas. In particular, a fraction of the AGN population produces jets of plasma that are observed in radio emission. These radio jets may interact with gas that is located along the direction of propagation. Such interactions are invoked to trigger star formation (jet-induced star formation). My PhD focused on the jet-gas interaction for nearby radio galaxies. I explored the effect of the jet on the star formation efficiency in such interactions at global (few kiloparsecs) and intermediate (few hundreds parsecs) scales. To do so, I searched and mapped the molecular gas (via CO emission lines) that is a key ingredient for star formation. This cold gas is observable using current radio astronomy ground-based facilities, like ALMA, APEX, NOEMA and the 30m telescope.

La présente thèse porte sur quatre aspects différents de l’astronomie des hautes énergies.La première partie de ma thèse est dédiée à un développement instrumental pour les télescopes Cherenkov imageurs, le système de déclenchement de niveau 2 du télescope de 28 mètres du réseau H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System). Mon travail s’est focalisé sur l’invention d’algorithmes et les simulations Monte-Carlo du système de déclenchement, ainsi que la comparaison de la reconstruction au niveau de la carte de déclenchement à la reconstruction ”hors-ligne” (Moudden,Barnacka, Glicenstein et al. 2011a; Moudden, Venault, Barnacka et al. 2011b). Je décris le système et j’évalue ses performances.Le réseau H.E.S.S. a observé le blazar PKS1510-089. La deuxième partie de ma thèse traite de l’analyse des données et la modélisation de l’émission large bande de ce blazar. C’est un exemple de quasar radio à spectre plat (FSRQ), pour lequel il n’est attendu aucune émission aux très hautes énergiesJ’ai modélisé les données observées pendant un "flare” de PKS1510-089. Ce modèle est basé sur un scénario de choc interne à une zone.Le troisième chapitre de ma thèse est une étude d’un autre phénomène affectant potentiellement les blazars observés par FERMI-LAT: l’effet de lentille gravitationnelle fort. Cette partie de ma thèse montre le premier indice de présence d’un effet de lentille gravitationnelle dans le domaine des photons de haute énergie. Cet indice provient de l’observation d’un écho dans la courbe de lumière du blazar distant PKS1830-211, qui est une lentille gravitationnelle connue. Les méthodes d’estimation des retards temporels dans les systèmes de lentille gravitationnelles reposent sur la corrélation croisée des courbes de lumière individuelles. Dans l’analyse présentée dans cette thèse, j’ai utilisé des photons de 300 MeV à 30 GeV détectés par l’instrument FERMI-LAT. L’instrument FERMI-LAT ne peut pas séparer spatialement les images des lentilles gravitationnelles fortes connues. La courbe de lumière observée est donc la superposition des courbes de lumière des images individuelles. Les données du FERMI-LAT ont l’avantage d’être des séries temporelles régulièrement espacées,avec un bruit de photons très bas. Cela permet d’utiliser directement les méthodes de transformées de Fourier. Un retard temporel entre les images compactes de PKS1830-211 a été recherché par deux méthodes : une méthode d’auto-corrélation et la méthode du ”double spectre”. La méthode du double spectre fournit un signal de 27 ± 0.6jours (statistique) avec une significativité de 4.2 σ. Ce résultat est compatible avec ceux de Lovell et al (1998) et Wiklind et Combes (2001).La dernière partie de ma thèse est consacrée à un effet de lentille différent, le ”femtolensing”. La recherche d’effets de femtolensing a été utlisée pour obtenir des limites sur l’abondance de trous noirs primordiaux. Celle-ci a été contrainte de manière significative dans un large domaine de masses. Les limites les moins contraignantes ont été établies pour les objets de faible masse, pour lesquels la détection représente un défi expérimental. J’ai utilisé les sursauts gamma de redshift connus d´etectés par le Fermi Gamma Ray Burst Monitor (GBM) pour rechercher d’éventuels effets de femtolensing produits par des objets compacts sur la ligne de visée. L’absence de ces effets de femtolensing montre que des trous noirs primordiaux de masse comprises entre 5×10^17 et 10^20 g ne constituent pas une fraction importante de la matière noire. J’ai effectué mes études de thèse en co-tutelle entre le Centre Astronomique Nicolaus Copernicus de l’académie des sciences polonaise, à Varsovie et l’Institut de Recherches sur les Lois fondamentales de l’Univers du CNRS à Saclay, en France. / This thesis presents the study of four aspects of high energy astronomy.The first part of my thesis is dedicated to an aspect of instrument development for imaging atmospheric Cherenkov telescopes, namely the Level 2 trigger system of the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.). My work on the project focused on the algorithm development and the Monte Carlo simulations of the trigger system and overall instrument (Moudden, Barnacka, Glicenstein et al. 2011a; Moudden, Venault, Barnacka et al. 2011b). The hardware implementation of the system is described andits expected performances are then evaluated. The H.E.S.S. array has been used to observe the blazar PKS 1510-089.The second part of my thesis deals with the data analysis and modeling of broad-band emission of this particular blazar. In part II of my thesis, I am presenting the analysis of the H.E.S.S. data: the light curve and spectrum of PKS 1510-089, together with the FERMI data and a collection of multi-wavelength data obtained with various instruments. I am presenting the model of PKS 1510-089 observations carried out during a flare recorded by H.E.S.S.. The model is based on a single zone internal shock scenario.The third part of my thesis deals with blazars observed by the FERMI-LAT, but from the point of view of other phenomena: a strong gravitational lensing. This part of my thesis shows the first evidence for gravitational lensing phenomena in high energy gamma-rays. This evidence comes from the observation of a gravitational lens system induced echo in the light curve of the distant blazar PKS 1830-211. Traditionalmethods for the estimation of time delays in gravitational lensing systems rely on the cross-correlation of the light curves from individual images. In my thesis, I used 300 MeV-30 GeV photons detected by the Fermi-LAT instrument. The FERMI-LAT instrument cannot separate the images of known lenses. The observed light curve is thus the superposition of individual image light curves. The FERMI-LAT instrument has the advantage of providing long, evenly spaced, time series with very low photonnoise. This allows to use directly Fourier transform methods. A time delay between the two compact images of PKS 1830-211 has been searchedfor both by the autocorrelation method and a new method: the “double power spectrum”. The double power spectrum shows a 4.2 σ evidence for a time delay of 27.1±0.6 days (Barnacka et al. 2011), consistent with the results from Lovell et al. (1998) and Wiklind & Combes (2001).The last part of my thesis concentrates on another lensing phenomena called ”femtolensing”. The search for femtolensing effects has been used to derive limits on the primordial black holes abundance. The abundance of primordial black holes is currently significantly constrained in a wide range of masses. The weakest limits are established for the small mass objects, where the small intensity of the associated physical phenomenon provides a challenge for current experiments. I have usedgamma-ray bursts with known redshifts detected by the FERMI Gamma-ray Burst Monitor (GBM) to search for the femtolensing effects caused by compact objects. The lack of femtolensing detection in the GBM data provides new evidence that primordial black holes in the mass range 5 × 10^17 – 10^20 g do not constitute a major fraction of dark matter (Barnacka et al. 2012). My Ph.D. studies have been carried out jointly between the Nicolaus Copernicus Astronomical Center of the Polish Academy of Sciences, in Warsaw in Poland and the IRFU institute of the Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives(CEA) Saclay in France.

Cette thèse a été réalisée entre 2014 et 2017 en vue de la préparation d'une mission probatoire du projet Imageur de Fresnel permettant de réaliser des observations astronomiques dans le domaine ultraviolet (UV). Il s'agit d'un modèle de télescope spatial diffractif imaginé et développé principalement par Laurent Koechlin depuis 2004. Son optique primaire est une grille de Fresnel, optique très légère (de l'ordre du kilogramme) parfaitement adaptée pour servir à une mission d'observation spatiale de très grande envergure, utilisant le principe des réseaux zonés de Fresnel. Afin de prouver la faisabilité d'une mission probatoire sur la Station Spatiale Internationale (ISS) fonctionnant dans l'ultraviolet, l'instrument doit d'abord faire la preuve de ses performances au sol. Le premier objectif a donc été de concevoir un nouveau prototype sol adapté à l'observation dans l'ultraviolet. Cela a nécessité la définition d'une nouvelle configuration de l'ensemble du système imageur, ainsi que la réalisation de nouvelles optiques, et en particulier celle du correcteur du chromatisme induit par la grille d'un nouveau genre. Il s'agit d'un miroir de Fresnel blazé concave, qui a été réalisé pour la première fois avec succès. Le second a été de perfectionner le modèle de grille de Fresnel, afin d'en améliorer ses qualités de haut contraste en conservant sa résolution maximale. Cela s'est fait par la modification des barreaux de maintien des anneaux, ainsi que par l'application d'une apodisation adaptée à cette optique particulière. La nouvelle grille du prototype d'une largeur de 65 mm seulement, permet théoriquement d'atteindre une dynamique de 10^6 à 15 resels (éléments de résolution), probablement meilleure avec la grille qui sera utilisée pour la mission probatoire, et bien supérieure encore avec les grilles de grandes dimensions si un jour elles sont utilisées pour l'astrophysique UV. / This Ph.D. thesis work was made between 2014 and 2017, in order to prepare a probatory mission of the Fresnel Imager for astronomical observations in the ultraviolet (UV) domain. The Fresnel Imager is a concept of diffractive telescope created and developed mainly by Laurent Koechlin since 2004. Its primary optics is a Fresnel grid: a very light weight optics (in the range of kilograms) using the principle of Fresnel zone plates. Fresnel arrays are adapted to large apertures in space. In order to prove the feasibility of a probatory mission on the International Space Station (ISS), the instrument has first to prove its performances on the ground. The initial goal of my thesis was to conceive a new prototype adapted to UV. This required a new configuration of the entire imaging system, as well as the realization of new optics, particularly those correcting the chromatism induced by that new kind of diffractive imaging. This chromatic corrector is a concave blazed Fresnel mirror, which has been successfully realized for the first time. The second goal was to improve the design of the Fresnel grid, in order to enhance its high contrast performances while preserving its diffraction-limited resolution. This was obtained by modifying the setup which holds the rings in place, as well as by the application of an apodization adapted to this particular optics. The new Fresnel grid in the prototype is 65 mm x 65 mm only, but its point spread function reaches a dynamic range of 10^6 at 15 resels (resolution element) from center. This will be further improved when a slightly larger array planned for the probatory mission on the ISS. Later, space missions could feature Fresnel grids several meters in size, yielding diffraction-limited images in the UV.

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.