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The discovery of the Spite plateau in the abundances of 7Li for metal-poor stars led to the determination of an observationally deduced primordial lithium abundance. However, with the determination of the baryon density, Omega_B_h^2, from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) data, a discrepancy arose between observationally determined and theoretically determined abundances of 7Li. This is what has become known as the “lithium problem”. Of all the uncertain factors in determining a stellar Li abundance, the effective temperature is the most important. This thesis is concerned with determining an accurate effective temperature scale for metal-poor halo dwarfs, paying specific attention to eliminating any possible systematic errors. This is done by utilising the exponential term, Chi/T, of the Boltzmann equation. Two assumptions are adopted; firstly the simplifying assumptions of local thermodynamic equilibrium (LTE), and secondly the more sophisticated techniques of non-local thermodynamic equilibrium (NLTE). The temperature scales are compared to others derived using different techniques; a photometric scale, where I find comparable Teff in LTE and hotter temperatures by an average of ~ 150 K in NLTE; a scale derived using Balmer lines, for which I have comparable values in LTE and hotter Teff values, by typically 110 K – 160 K, in NLTE; and finally a scale derived using an infrared flux method (IRFM). Here I find their Teff values are hotter by ~ 250 K for LTE and ~ 190 K in NLTE. Lithium abundances are then calculated for the program stars and a mean Li abundance is derived. I find values ranging from A(Li) = 2.10 dex – 2.16 dex with the LTE scales and A(Li) = 2.19 dex – 2.21 dex for the NLTE scales. These mean Li abundances are compared to other observationally deduced abundances, for which I find comparable results in LTE and higher values in NLTE, and to the WMAP + big bang nucleosynthesis calculated Li abundance. I find that my new values are still considerably lower than the WMAP value and are therefore unable to reconcile the lithium problem. Second to this primary investigation, I use Ti as an independent test of the derived Teff values and log g’s. I find that Ti is not a useful constraint on the temperatures or, therefore, on the lithium problem. I also assess the impact of the new Teff scales on the different models of Galactic chemical evolution (GCE), comparing newly calculated abundances with GCE determined abundances. It was found that trends exist in several of the elements; however, these were not statistically relevant. Also a larger degree of scatter was found in the abundances compared to the Arnone et al. (2005). This scatter was not to the degree found in the Argast et al. (2000). Reasons for the differences have been discussed.

Within cosmology, there are two entirely independent pillars which can jointly drive this field towards precision: Astronomical observations of primordial element abundances and the detailed surveying of the cosmic microwave background. However, the comparatively large uncertainty stemming from the nuclear physics input is currently still hindering this effort, i.e. stemming from the 2H(p,γ)3He reaction. An accurate understanding of this reaction is required for precision data on primordial nucleosynthesis and an independent determination of the cosmological baryon density. Elsewhere, our Sun is an exceptional object to study stellar physics in general. While we are now able to measure solar neutrinos live on earth, there is a lack of knowledge regarding theoretical predictions of solar neutrino fluxes due to the limited precision (again) stemming from nuclear reactions, i.e. from the 3He(α,γ)7Be reaction. This thesis sheds light on these two nuclear reactions, which both limit our understanding of the universe. While the investigation of the 2H(p,γ)3He reaction will focus on the determination of its cross- section in the vicinity of the Gamow window for the Big Bang nucleosynthesis, the main aim for the 3He(α,γ)7Be reaction will be a measurement of its γ-ray angular distribution at astrophysically relevant energies. In addition, the installation of an ultra-low background counting setup will be reported which further enables the investigation of the physics of rare events. This is essential for modern nuclear astrophysics, but also relevant for double beta decay physics and the search for dark matter. The presented setup is now the most sensitive in Germany and among the most sensitive ones worldwide.

For about 20 years now, observations of 6Li in several old metal-poor stars inside the halo of our galaxy have been reported, which are largely independent of the stars’ metallicity, and which point to a possible primordial origin. The observations exceed the predictions of the Standard Big-Bang Nucleosynthesis model by a factor of 500. In the relevant energy range, no directly measured S-factors were available yet for the main production reaction 2H(α,γ)6Li, while different theoretical estimations have an uncertainty of up to two orders of magnitude. The very small cross section in the picobarn range has been measured with a deuterium gas target at the LUNA acceler- ator (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics), located deep underground inside Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italy. A beam-induced, neutron-caused background in the γ-detector occurred which had to be analyzed carefully and sub- tracted in an appropriate way, to finally infer the weak signal of the reaction. For this purpose, a method to parameterize the Compton background has been developed. The results are a contribution to the discussion about the accuracy of the recent 6Li observations, and to the question if it is necessary to include new physics into the Standard Big-Bang Nucleosynthesis model.

We study the impact of long lived strongly interacting particles on primordial nuclear abundances. Particularly we look at the case of anti-squark quark bound states called mesinos. These mesinos are similar to massive nucleons in that they have the same spin and isospin. Like nucleons, the mesinos take part in nucleosynthesis and are bound into nuclei. We incorporate the mesinos into the various stages of BBN, from the QCD phase transition, to their capture of nucleons, to their eventual decay. We identify the mechanisms by which the mesinos could impact primordial abundances and show which actually do so. We nd that for the predicted mesino abundance, only one mechanism exists that has the potential of generating an observable signature.

The Standard Model of Particle Physics has been verified to unprecedented precision in the last few decades. However there are still phenomena in nature which cannot be explained, and as such new theories will be required. Since terrestrial experiments are limited in both the energy and precision that can be probed, new methods are required to search for signs of physics beyond the Standard Model. In this dissertation, I demonstrate how these theories can be probed by searching for remnants of their effects in the early Universe. In particular I focus on three possible extensions of the Standard Model: the addition of massive neutral particles as dark matter, the addition of charged massive particles, and the existence of higher dimensions. For each new model, I review the existing experimental bounds and the potential for discovering new physics in the next generation of experiments. For dark matter, I introduce six simple models which I have developed, and which involve a minimum amount of new physics, as well as reviewing one existing model of dark matter. For each model I calculate the latest constraints from astrophysics experiments, nuclear recoil experiments, and collider experiments. I also provide motivations for studying sub-GeV mass dark matter, and propose the possibility of searching for light WIMPs in the decay of B-mesons and other heavy particles. For charged massive relics, I introduce and review the recently proposed model of catalyzed Big Bang nucleosynthesis. In particular I review the production of Li6 by this mechanism, and calculate the abundance of Li7 after destruction of Be7 by charged relics. The result is that for certain natural relics CBBN is capable of removing tensions between the predicted and observed Li6 and Li7 abundances which are present in the standard model of BBN. For extra dimensions, I review the constraints on the ADD model from both astrophysics and collider experiments. I then calculate the constraints on this model from Big Bang nucleosynthesis in the early Universe. I also calculate the bounds on this model from Kaluza-Klein gravitons trapped in the galaxy which decay to electron-positron pairs, using the measured 511 keV gamma-ray flux. For each example of new physics, I find that remnants of the early Universe provide constraints on the models which are complimentary to the existing constraints from colliders and other terrestrial experiments.

Zwischen 10 und 1000 s nach dem Urknall bildeten sich während der Big Bang Nukleosynthese (BBN) die ersten leichten Elemente aus Protonen und Neutronen. Die primordialen Häufigkeiten dieser Elemente hingen von denWirkungsquerschnitten der beteiligten Kernreaktionen ab. Vergleiche zwischen den Ergebnissen nuklearer Netzwerkrechnungen mit astronomischen Beobachtungen bieten eine einzigartige Möglichkeit, etwas über das Universum zu dieser Zeit zu erfahren. Da es für die p(n,g)d-Reaktion, die eine Schlüsselreaktion der BBN ist, kaum Messungen im relevanten Energiebereich gibt, beruht deren Reaktionsrate in Netzwerkrechnungen auf theoretischen Berechnungen. Darin fließen auch experimentelle Daten der Nukleon-Nukleon-Streuung, des Einfangquerschnitts für thermische Neutronen sowie (nach Anwendung des Prinzips des detaillierten Gleichgewichts) der d(g,n)p-Reaktion mit ein. Diese Reaktion, die Photodissoziation des Deuterons, ist bei BBN-Energien (Tcm = 20–200 keV) ebenfalls kaum vermessen. Die großen experimentelle Unsicherheiten machen Vergleiche mit den präzisen theoretischen Berechnungen schwierig. In den letzten Jahren wurde die d(g,n)p-Reaktion und insbesondere der M1-Anteil des Wirkungsquerschnitts mit quasi-monoenergetischen g-Strahlen aus Laser-Compton-Streuung oder durch Elektrodesintegration untersucht. Üblicherweise verwendete man für Messungen des d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts entweder die auf wenige diskrete Energien beschränkte Strahlung des g-Zerfalls oder Bremsstrahlung, für die aber eine genaue Photonenflussbestimmung sowie der Nachweis von einem der Reaktionsprodukte und dessen Energie nötig ist. Da diese Energie im Bereich der BBN relativ gering ist, gab es bisher noch keine absoluten Messung des d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts bei Tcm < 5 MeV mit Bremsstrahlung. Das Ziel dieser Dissertation ist eine solche Messung mit einer Unsicherheit von 5 % im für die BBN relevanten Energiebereich und darüber hinaus bis Tcm ~ 2,5 MeV unter Verwendung gepulster Bremsstrahlung an der Strahlungsquelle ELBE. Dieser supraleitende Elektronenbeschleuniger befindet sich am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und stellte einen Elektronenstrahl hoher Intensität bereit. Die kinetische Elektronenenergie von 5 MeV wurde mit einem Browne-Buechner-Spektrometer präzise gemessen. Die Energieverteilung der in einer Niob-Folie erzeugten Bremsstrahlungsphotonen wurde berechnet. Die Photonenflussbestimmung nutzte die Kernresonanzstreuung an 27Al, das sich mit deuteriertem Polyethylen in einem mehrschichtigen Target befand. Die 27Al-Abregungen wurden mit abgeschirmten, hochreinen Germanium-Detektoren nachgewiesen, deren Effektivität mit GEANT4 simuliert und durch Quellmessungen normiert wurde. Die Messung der Energie der Neutronen aus der d(g,n)p-Reaktion erfolgte mittels deren Flugzeit in Plastikszintillatoren, die an zwei Seiten von Photoelektronenvervielfachern mit hoher Verstärkung ausgelesen wurden. Die Nachweiseffektivität dieser Detektoren wurde in einem eigenen Experiment in den Referenz-Neutronenfeldern der PTB Braunschweig kalibriert. Die Nachweisschwelle lag bei etwa 10 keV kinetischer Neutronenenergie.Wegen der guten Zeitauflösung der Neutronendetektoren und des ELBE-Beschleunigers genügte eine Flugstrecke von nur 1 m. Die Energieauflösung betrug im d(g,n)p-Experiment 1–2 %. Leider gingen viele Neutronen bereits durch Streuung in dem großen Target verloren oder sie wurden erst durch Teile des kompakten Experimentaufbaus in die Detektoren gestreut. Beide Effekte wurden mit Hilfe von FLUKA simuliert um einen Korrekturfaktor zu bestimmen, der aber bei niedrigen Energien relativ groß war. Der d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts wurde daher nur im Bereich 0.7 MeV < Tcm < 2.5 MeV bestimmt. Die Ergebnisse stimmen mit anderen Messungen, Daten-Evaluierungen sowie theoretischen Rechnungen überein. Die Gesamtunsicherheit beträgt circa 6.5 % und kommt zu fast gleichen Teilen von den statistischen und systematischen Unsicherheiten. Die statistische Unsicherheit könnte durch eine längere FLUKA Simulation noch von 3–5 % auf 1 % verringert werden. Die systematische Unsicherheit von 4.5 % ist vorrangig auf die Photonenflussbestimmung, die Neutronen-Nachweiseffektivität und die Target-Zusammensetzung zurückzuführen.

For about 20 years now, observations of 6Li in several old metal-poor stars inside the halo of our galaxy have been reported, which are largely independent of the stars’ metallicity, and which point to a possible primordial origin. The observations exceed the predictions of the Standard Big-Bang Nucleosynthesis model by a factor of 500. In the relevant energy range, no directly measured S-factors were available yet for the main production reaction 2H(α,γ)6Li, while different theoretical estimations have an uncertainty of up to two orders of magnitude. The very small cross section in the picobarn range has been measured with a deuterium gas target at the LUNA acceler- ator (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics), located deep underground inside Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italy. A beam-induced, neutron-caused background in the γ-detector occurred which had to be analyzed carefully and sub- tracted in an appropriate way, to finally infer the weak signal of the reaction. For this purpose, a method to parameterize the Compton background has been developed. The results are a contribution to the discussion about the accuracy of the recent 6Li observations, and to the question if it is necessary to include new physics into the Standard Big-Bang Nucleosynthesis model.

Zwischen 10 und 1000 s nach dem Urknall bildeten sich während der Big Bang Nukleosynthese (BBN) die ersten leichten Elemente aus Protonen und Neutronen. Die primordialen Häufigkeiten dieser Elemente hingen von denWirkungsquerschnitten der beteiligten Kernreaktionen ab. Vergleiche zwischen den Ergebnissen nuklearer Netzwerkrechnungen mit astronomischen Beobachtungen bieten eine einzigartige Möglichkeit, etwas über das Universum zu dieser Zeit zu erfahren. Da es für die p(n,g)d-Reaktion, die eine Schlüsselreaktion der BBN ist, kaum Messungen im relevanten Energiebereich gibt, beruht deren Reaktionsrate in Netzwerkrechnungen auf theoretischen Berechnungen. Darin fließen auch experimentelle Daten der Nukleon-Nukleon-Streuung, des Einfangquerschnitts für thermische Neutronen sowie (nach Anwendung des Prinzips des detaillierten Gleichgewichts) der d(g,n)p-Reaktion mit ein. Diese Reaktion, die Photodissoziation des Deuterons, ist bei BBN-Energien (Tcm = 20–200 keV) ebenfalls kaum vermessen. Die großen experimentelle Unsicherheiten machen Vergleiche mit den präzisen theoretischen Berechnungen schwierig. In den letzten Jahren wurde die d(g,n)p-Reaktion und insbesondere der M1-Anteil des Wirkungsquerschnitts mit quasi-monoenergetischen g-Strahlen aus Laser-Compton-Streuung oder durch Elektrodesintegration untersucht. Üblicherweise verwendete man für Messungen des d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts entweder die auf wenige diskrete Energien beschränkte Strahlung des g-Zerfalls oder Bremsstrahlung, für die aber eine genaue Photonenflussbestimmung sowie der Nachweis von einem der Reaktionsprodukte und dessen Energie nötig ist. Da diese Energie im Bereich der BBN relativ gering ist, gab es bisher noch keine absoluten Messung des d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts bei Tcm < 5 MeV mit Bremsstrahlung. Das Ziel dieser Dissertation ist eine solche Messung mit einer Unsicherheit von 5 % im für die BBN relevanten Energiebereich und darüber hinaus bis Tcm ~ 2,5 MeV unter Verwendung gepulster Bremsstrahlung an der Strahlungsquelle ELBE. Dieser supraleitende Elektronenbeschleuniger befindet sich am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und stellte einen Elektronenstrahl hoher Intensität bereit. Die kinetische Elektronenenergie von 5 MeV wurde mit einem Browne-Buechner-Spektrometer präzise gemessen. Die Energieverteilung der in einer Niob-Folie erzeugten Bremsstrahlungsphotonen wurde berechnet. Die Photonenflussbestimmung nutzte die Kernresonanzstreuung an 27Al, das sich mit deuteriertem Polyethylen in einem mehrschichtigen Target befand. Die 27Al-Abregungen wurden mit abgeschirmten, hochreinen Germanium-Detektoren nachgewiesen, deren Effektivität mit GEANT4 simuliert und durch Quellmessungen normiert wurde. Die Messung der Energie der Neutronen aus der d(g,n)p-Reaktion erfolgte mittels deren Flugzeit in Plastikszintillatoren, die an zwei Seiten von Photoelektronenvervielfachern mit hoher Verstärkung ausgelesen wurden. Die Nachweiseffektivität dieser Detektoren wurde in einem eigenen Experiment in den Referenz-Neutronenfeldern der PTB Braunschweig kalibriert. Die Nachweisschwelle lag bei etwa 10 keV kinetischer Neutronenenergie.Wegen der guten Zeitauflösung der Neutronendetektoren und des ELBE-Beschleunigers genügte eine Flugstrecke von nur 1 m. Die Energieauflösung betrug im d(g,n)p-Experiment 1–2 %. Leider gingen viele Neutronen bereits durch Streuung in dem großen Target verloren oder sie wurden erst durch Teile des kompakten Experimentaufbaus in die Detektoren gestreut. Beide Effekte wurden mit Hilfe von FLUKA simuliert um einen Korrekturfaktor zu bestimmen, der aber bei niedrigen Energien relativ groß war. Der d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts wurde daher nur im Bereich 0.7 MeV < Tcm < 2.5 MeV bestimmt. Die Ergebnisse stimmen mit anderen Messungen, Daten-Evaluierungen sowie theoretischen Rechnungen überein. Die Gesamtunsicherheit beträgt circa 6.5 % und kommt zu fast gleichen Teilen von den statistischen und systematischen Unsicherheiten. Die statistische Unsicherheit könnte durch eine längere FLUKA Simulation noch von 3–5 % auf 1 % verringert werden. Die systematische Unsicherheit von 4.5 % ist vorrangig auf die Photonenflussbestimmung, die Neutronen-Nachweiseffektivität und die Target-Zusammensetzung zurückzuführen.