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This thesis presents inclusive ep double and single differential cross section measurements for neutral current deep inelastic scattering of longitudinally polarized leptons on protons as a function of the negative four-momentum transfer squared Q2 and the Bjorken variable x. The data were collected in the years 2003-2007 in the H1 experiment at HERA with positively and negatively longitudinally polarized lepton beams of 27 GeV and a proton beam of 920 GeV corresponding to the centre-of-mass energy of sqrt{s} = 319 GeV. The integrated luminosity is about 330 pb^{-1}. An overview of the phenomenology of the deep inelastic scattering is given and the experimental apparatus is described. The NC cross section measurement procedure is presented and discussed in details. The measured cross sections are used to investigate electroweak effects at high Q2. The proton structure function xF_3, sensitive to the valence quarks in the proton, is measured. The polarization effects sensitive to the chiral structure of neutral currents are investigated. The Standard Model predictions are found to be in a good agreement with the measurement.

In this thesis we report on two matters, (i) time-resolved single particle bio-sensing using a cavity enhanced refractive index sensor with unmatched sensitivity, and (ii) the theoretical analysis of parametric normal mode splitting in cavity optomechanics, as well as the quantum limit of a displacement transducer that relies on multiple cavity modes. It is the unifying element of these studies that they rely on a high-Q optical cavity transducer and amount to a precision measurement of an optical frequency. In the first part, we describe an experiment where a high-Q toroidal microcavity is used as a refractive index sensor for single particle studies. The resonator supports whispering gallery modes (WGM) that feature an evanescent fraction, probing the environment close to the toroid's surface. When a particle with a refractive index, different from its environment, enters the evanescent field of the WGM, the resonance frequency shifts. Here, we monitor the shift with a frequency resolution of df/f=7.7e-11 at a time resolution of 100µs , which constitutes a x10 improvement of the sensitivity and a x100 improvement in time resolution, compared to the state of the art. This unprecedented sensitivity is the key to real-time resolution of single lipid vesicles with 25nm radius adsorbing onto the surface. Moreover -- for the first time within one distinct measurement -- a record number of up to 200 identifiable events was recorded, which provides the foundation for a meaningful statistical analysis. Strikingly, the large number of recorded events and the high precision revealed a disagreement with the theoretical model for the single particle frequency shift. A correction factor that fully accounts for the polarizability of the particle, and thus corrects the deviation, was introduced and establishes a quantitative understanding of the binding events. Directed towards biological application, we introduce an elegant method to cover the resonator surface with a single lipid bilayer, which creates a universal, biomimetic interface for specific functionalization with lipid bound receptors or membrane proteins. Quantitative binding of streptavidin to biotinylated lipids is demonstrated. Moving beyond the detection limit, we provide evidence that the presence of single IgG proteins (that cannot be resolved individually) manifests in the frequency noise spectrum. The theoretical analysis of the thermo-refractive noise floor yields a fundamental limit of the sensors resolution. The second part of the thesis deals with the theoretical analysis of the coupling between an optical cavity mode and a mechanical mode of much lower frequency. Despite the vastly different resonance frequencies, a regime of strong coupling between the mechanics and the light field can be achieved, which manifests as a hybridization of the modes and as a mode splitting in the spectrum of the quadrature fluctuations. The regime is a precondition for coherent energy exchange between the mechanical oscillator and the light field. Experimental observation of optomechanical mode splitting was reported shortly after publication of our results [cf. Gröblacher et al., Nature 460, 724--727]. Dynamical backaction cooling of the mechanical mode can be achieved, when the optical mode is driven red-detuned from resonance. We use a perturbation and a covariance approach to calculate both, the power dependence of the mechanical occupation number and the influence of excess noise in the optical drive that is used for cooling. The result was one to one applied for data analysis in a seminal article on ground state cooling of a mechanical oscillator [cf. Teufel et al., Nature 475, 359--363]. In addition we investigate a setting, where multiple optical cavity modes are coupled to a single mechanical degree of freedom. Resonant build-up of the motional sidebands amplifies the mechanical displacement signal, such that the standard quantum limit for linear position detection can be reached at significantly lower input power. / In dieser Dissertation werden zwei Themen behandelt. Im ersten Teil widmen wir uns experimentell der zeitaufgelösten Messung von Liposomen mit Hilfe eines Nahfeld-Brechungsindex-Sensors. Der zweite Teil handelt von der theoretischen Beschreibung des Regimes der starken Kopplung zwischen einem mechanischen Oszillator und dem Feld eines optischen Resonators. Des Weiteren erörtern wir ein Messschema, das es erlaubt eine mechanische Bewegung, mit Hilfe von mehreren optischen Resonatormoden genauer auszulesen. Die Gemeinsamkeit beider Arbeiten besteht darin, dass es sich jeweils um eine Präzisionsmessung einer optischen Frequenz handelt. Im experimentellen Teil benutzen wir Toroid-Mikroresonatoren mit extrem hoher optischer Güte als Biosensoren. Dabei handelt es sich um eine ringförmige Glasstruktur, entlang welcher Licht im Kreis geleitet wird. Dazu muss eine Resonanzbedingung erfüllt sein, die besagt, dass der (effektive) Umfang des Rings einem ganzzahligen Vielfachen der optischen Wellenlänge entspricht. Ein Teil des zirkulierenden Lichts ist als evaneszente Welle empfänglich für Brechungsindexänderungen nahe der Oberfläche des Resonators. Ein Partikel, dessen Brechungsindex sich von dem der Umgebung unterscheidet, induziert beim Eintritt in das evaneszente Feld eine Frequenzverschiebung der optischen Resonanz. Im Rahmen dieser Arbeit lösen wir relative Frequenzverschiebungen mit einer Genauigkeit von df/f=7.7e-11 und einer Zeitkonstante von 100µs auf. Dies stellt eine Verbesserung des derzeitigen Stands der Technik um einen Faktor x10 in der Frequenz und einen Faktor x100 in der Zeit dar. Diese bisher unerreichte Empfindlichkeit der Messmethode ist der Schlüssel zur Echtzeitdetektion einzelner Lipidvesikel mit einem Radius von 25nm . Zudem gelingt es uns innerhalb einer Messung, bis zu 200 Einzelteilchenereignisse aufzunehmen, welche die Basis für eine aussagekräftige Statistik liefern. Bemerkenswerterweise konnten wir Dank der außerordentlichen Präzision und der Vielzahl der Ereignisse eine Abweichung zur bis dato akzeptierten und angewandten Theorie feststellen. Wir ergänzen das Model um einen Korrekturfaktor, der die Polarisierbarkeit des Teilchens vollständig berücksichtigt und erlangen dadurch ein umfassendes und quantitatives Verständnis der Messergebnisse. Im Hinblick auf biologisch relevante Fragestellungen zeigen wir eine elegante Methode auf, die es erlaubt, den Resonator mit einer einzelnen Lipidmembran zu beschichten. Wir kreieren somit eine biomimetische Schnittstelle, welche das Grundgerüst für eine spezifische Funktionalisierung mit lipidgebundenen Rezeptoren, Antikörpern oder Membranproteinen darstellt. Des Weiteren zeigen wir, dass der Empfindlichkeit eine fundamentale Grenze durch thermische Brechungsindexfluktuationen gesetzt ist. Hierzu wird ein theoretisches Modell speziell für den relevanten niederfrequenten Bereich errechnet. Im zweiten Teil der Arbeit beschäftigen wir uns mit der theoretischen Beschreibung eines optischen Resonators, dessen Lichtfeld an eine mechanische Schwingung gekoppelt ist. Obwohl sich die Resonanzfrequenzen der Optik und der Mechanik typischerweise um mehrere Größenordnungen unterscheiden, existiert ein Regime der starken Kopplung, in dem die Fluktuationen des Lichts und die mechanischen Vibrationen hybridisieren. Dies offenbart sich zum Beispiel im Phasenspektrum, wo sich das ursprüngliche Maximum der Resonanz in zwei Maxima aufspaltet. Die starke Kopplung stellt die Grundlage für kohärenten Energie- und Informationsaustausch zwischen Licht und Mechanik dar und ist daher von besonderem technischen und wissenschaftlichen Interesse. Es ist anzumerken, dass die starke Kopplung und die einhergehende Aufspaltung der Resonanz bereits kurz nach Veröffentlichung unserer theoretischen Beschreibung im Experiment beobachtet wurde [vgl. Gröblacher et al., Nature 460, 724--727]. Wenn der optische Resonator (zur längeren Wellenlänge hin) verstimmt von der Resonanz angeregt wird, kann über dynamische Rückkopplung eine effektive Kühlung der mechanischen Schwingung erreicht werden. Wir berechnen die thermische Besetzungszahl der mechanischen Mode (und somit die Temperatur) mit Hilfe eines störungstheoretischen und eines Kovarianzansatzes. Dabei berücksichtigen wir sowohl ein klassisches Rauschen des optischen Feldes als auch den Einfluss der optomechanischen Kopplung auf die Grenztemperatur. Der hergeleitete Ausdruck für die finale Besetzungszahl wurde eins zu eins für die Datenanalyse in dem wegweisenden Artikel über das Kühlen eines mechanischen Oszillators in den Quantengrundzustand verwendet [vgl. Teufel et al., Nature 475, 359--363]. Abschließend betrachten wir ein Schema, bei dem die Lichtfelder mehrerer optischer Resonanzen an eine mechanischen Schwingung gekoppelt sind. Die resonante Verstärkung der Information über die mechanische Bewegung in den optischen Seitenbändern ermöglicht es, eine durch das Standard Quantenlimit begrenzte Empfindlichkeit bei signifikant niedriger Eingangsleistung zu erreichen.

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Das starke CP Problem kann durch den Peccei-Quinn (PQ) Mechanismus gelöst werden, welcher das Axion einführt. In supersymmetrischen (SUSY) Axionmodellen ist die Saxionmasse typischerweise von der Ordnung der Gravitinomasse. Zusammen mit dem Axino können die PQ-Teilchen erhebliche kosmologische Folgen haben. Wir konzentrieren uns auf hadronische Axionmodelle. In diesen Modellen koppeln die PQ-Teilchen nur an zusätzliche schwere (S)Quarks, während alle anderen Teilchen keine PQ-Ladung tragen. Wir berechnen die thermischen Produktionsraten der PQ-Teilchen durch Streuung an Quarks, Gluonen, Squark und Gluinos im heißen Plasma des frühen Universums. Dabei verwenden wir systematische Methoden der Feldtheorie, um ein eichinvariantes, endliches Ergebnis in führender Ordnung in der starken Kopplung zu erhalten. Wir berechnen den thermisch produzierten Yield und die Entkopplungstemperatur von Axionen, Saxionen und Axinos. Wir aktualisieren den Vergleich von thermischen und nicht-thermischen Saxionenergiedichten. Dann betrachten wir hauptsächlich Zerfälle des Saxions in Axionen, welche dann zusätzliche Strahlung bilden. Wir erneuern entsprechende Schranken, auferlegt durch aktuelle Untersuchungen der primordialen He-Menge und durch präzise kosmologische Messungen. Wir zeigen, dass der Trend für zusätzliche Strahlung in diesen Studien durch Saxionzerfälle in Axionen erklärt werden kann. Zwei Szenarien werden im Detail untersucht. Beide Szenarien erklären die kalte dunkle Materie (CDM) und zusätzliche Strahlung in Übereinstimmung mit bestehenden Schranken. Die hohe Reheatingtemperatur nach Inflation in beiden Szenarien ermöglicht Baryogenese durch thermische Leptogenese. (i) Gravitino CDM: Axionen aus dem Zerfall von thermischen Saxionen bilden zusätzliche Strahlung bereits vor der Nukleosynthese und Zerfälle eines aus kosmologischen Gründen schweren Axinos (TeV-Skala) produzieren Entropie. (ii) Axion CDM: Leichte Axinos (eV-Skala) werden bedingt durch Schranken an heiße dunkle Materie. Gravitinos zerfallen spät in Axionen und Axinos, die zusammen mit Strahlung aus früheren Saxionzerfällen existieren können. Der Planck-Satellit wird die zusätzliche Strahlung in beiden Szenarien genau vermessen. Weitere Tests dieser Szenarien sind durch die Suche nach Axionen durch ADMX und nach SUSY-Teilchen am Large Hadron Collider gegeben. / The strong CP problem can be solved by the Peccei-Quinn (PQ) mechanism, which introduces the axion. In supersymmetric (SUSY) axion models, the saxion mass is typically of order of the gravitino mass. Together with the axino, the PQ particles and their decay products can then have potentially severe cosmological effects. We focus on hadronic axion models. In these models, the PQ particles couple to additional heavy (s)quarks, whereas all other particles do not carry PQ charge. We calculate the thermal production rate of axions, saxions, and axinos via scatterings of quarks, gluons, squarks, and gluinos in a hot primordial plasma. Systematic field theoretical methods are applied to obtain a gauge-invariant, finite result consistent to leading order in the strong gauge coupling. We compute the thermally produced yield and the decoupling temperature for axions, saxions, and axinos. We update the comparison of the energy density of thermal and misalignment saxions. Then, we mainly focus on the case where saxions decay into axions, which provide extra radiation. We update associated limits imposed by recent studies of the primordial He abundance and by precision cosmology. We show that the trend towards extra radiation seen in those studies can be explained by late decays of thermal saxions into axions. Two cosmological scenarios are analyzed in detail. Both scenarios consistently explain cold dark matter (CDM) and extra radiation in agreement with existing limits. Moreover, the high reheating temperature after inflation possible in these scenarios allows for baryogenesis through thermal leptogenesis. (i) Gravitino CDM: Axions from decays of thermal saxions provide extra radiation already prior to big bang nucleosynthesis (BBN) and decays of axinos with a cosmologically required TeV-scale mass can produce extra entropy. (ii) Axion CDM: A light eV-scale axino is required by hot dark matter constraints. Weak-scale gravitinos decay into axions and axinos. These decays lead to late extra radiation after BBN which can coexist with the early contributions from saxion decays. Results of the Planck satellite will probe extra radiation for both scenarios. Further experimental prospects are the searches for axions at the axion CDM experiment ADMX and for supersymmetric particles at the Large Hadron Collider.

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Bringt man Mikropartikel in ein Plasma ein, so laden sie sich elektrisch auf, man spricht von einem "`Komplexen Plasma"'. Das Komplexe Plasma besteht damit aus Elektronen, Ionen, Neutralgasteilchen und den (meist negativ) geladenen Staubpartikeln. Alle diese Teilchen wechselwirken miteinander. Mit Hilfe eines Lasers und einer Kamera, können Position und Geschwindigkeit der Staubpartikel ermittelt werden. Bei herkömmlichen Flüssigkeiten ist dies nicht möglich, da die Atombewegung nicht gleichzeitig räumlich und zeitlich in genügend hoher Auflösung zugänglich ist. In dieser Arbeit werden Ströme geladener Mikropartikel beschrieben, die in einem eigens dafür konstruierten Kanal fliessen. Im ersten Teil werden lineare Strömungen, im zweiten Teil ringförmige, quasi-unendliche Strömungen Komplexer Plasmen untersucht. Dabei steht die Frage nach den Grenzen des kooperativen Verhaltens der Teilchen im Vordergrund. Bei den linearen Strömungen geht es um kollektive Effekte in einer Laval-Düse. Die Untersuchung der Teilchenbewegung unter Schwerelosigkeit (während der Parabelflüge) auf kinetischem Level offenbart den Unterschied zwischen Einzelteilchenbewegung und der Strömung kleiner und großer Teilchenwolken. Im Labor wird die Bildung von Ketten unter Schwerkraft beschrieben. Die Analysen der Position, der Länge und der Stabilität der Ketten ergeben, dass ein bindendes Potential zwischen den negativ geladenen Staubteilchen vorhanden sein muss. In einer Erweiterung dieses Experiments zeigen sich Wellen. In horizontaler Konfiguration wird dargestellt, dass Wellen in Staubpartikelströmungen wie Wasserwellen am Strand brechen können. Das Hauptziel der Experimente mit ringförmigen Strömungen ist die Frage nach dem Strömungsverhalten bei der Bewegung um ein Hindernis. Die Antwort der Thermodynamik, dass in einem klassischen inkompressiblen Fluid das Produkt aus Geschwindigkeit und Querschnittsfläche konstant bleibt, wird für die hier untersuchten ringförmigen Strömungen nachgewiesen. Weiterhin wird das Ordnungsverhaltens der Partikel innerhalb der Strömung beim Passieren des Hindernisses analysiert. Dabei wird sehr detailliert gezeigt, wie Partikelbahnen verschmelzen oder neu entstehen. Es zeigen sich viele Analogien zu bekannten Systemen, wie z.B. dem Straßenverkehr, wenn etwa auf einer mehrstreifigen Straße eine Spur endet. Die gefundenen Ergebnisse unterstreichen eindrucksvoll die Eignung Komplexer Plasmen als interdisziplinäres Modellsystem zur Analyse dynamischer Vorgänge in der Natur.

This doctoral thesis deals with both infrared modifications of gravity and with the recently proposed microscopic picture of black holes. The former subject, i.e. infrared modifications of gravity, denotes a class of theories that typically weaken Einsteins theory of gravity at very large (usually cosmological) distance scales while preserving its successes at smaller distances (in particular within the solar system). Infrared modified theories of gravity allow to make progress with the cosmological constant problem since the cosmological constant literally corresponds to a space-time source of infinite extent. The results presented in this thesis concern two representatives of infrared modified theories of gravity: Massive Gravity and Brane Induced Gravity. Massive Gravity has been extensively studied for graviton propagation on a flat Minkowski background. What we will do in this thesis, however, is to study Massive Gravity on curved backgrounds such as cosmologically relevant FRW backgrounds. It actually turns out that the physics associated with the propagation of gravitons on curved spaces is enormously rich. In particular, we were able to show that the linear theory is protected from potential unitarity violations by generically entering a strong coupling regime before the unitary violation of the linear theory could have occurred. We coined this mechanism the self-protection mechanism. In fact, the self-protection mechanism can be understood as a striking example of the recently proposed classicalization mechanism, where the classicalon plays the role of the new background geometry that forms when entering the non-linear regime. Even though that the self-protection mechanism is very appealing from a theoretical perspective, it goes hand in hand with the destruction of the FRW background as soon as we enter the non-linear regime. This is phenomenological unacceptable as this always happens for early times in the universe. This led us to the construction of a completely new theory of massive deformations, where we supple- mented the known ’hard mass’ term with a new ’soft mass’ term. This new theory is both stable and consistent on the whole Friedman manifold. A particular interesting special case can be obtained when we set the hard mass identically equal to zero, since in this case we obtain a modification that is solely operative on curved backgrounds, whereas we still have standard massless graviton propagation for regions where the background curvature is small. This modification is thus completely orthogonal to known massive gravity theories. The other infrared modified theory of gravity this thesis deals with, i.e. Brane Induced Gravity, has been thought to contain a ghost within its spectrum of physical particles if we consider two or more additional spatial dimensions (whereas for one spatial dimension we would obtain the consistent DGP model). However, this ghost degree of freedom is completely unexpected physically, as we can think of Brane Induced Gravity simply as a higher dimensional Einstein gravity theory with a specific, healthy four dimensional source. Therefore, we performed a complete Dirac constraint analysis that actually showed that the Hamiltonian on the constraint surface is positive definite, and thus that Brane Induced Gravity is consistent, contrary to prior claims in the literature. By studying the system as well in the covariant language, we were able to understand that these previous derivations of the ghost degree of freedom did not take the 00-Einstein equation into account properly. This equation actually is a constraint that renders the would-be ghost mode non-dynamical. The other subject of this thesis deals with the microscopic picture of black holes recently proposed by Gia Dvali and Cesar Gomez. To be concrete, we invented a novel non-relativistic scalar theory that is supposed to mimic properties of general relativity relevant for black hole physics but is simple enough to make extensive quantitative calculations. In a first step, we analyzed the system perturbatively. This allowed us to show that there is indeed indication that the system dynamically secures to stay at the point of quantum phase transition. However, only a thorough nonlinear numerical analysis that is currently under investigation will yield a definite answer.

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The transition from quantum to classical behavior of complex systems, known as dephasing, has fascinated physicists during the last decades. Disordered systems provide an insightful environment to study the dephasing time \tau_\varphi, since electron interference leads to quantum corrections to classical quantities, such as the weak- localization correction \Delta g to the conductance, whose magnitude is governed by \tau_\varphi. In this thesis, we study one of the fundamental questions in this field: How does Pauli blocking influence the interaction-induced dephasing time at low temperatures? In general, Pauli blocking limits the energy transfer \omega of electron interactions to \omega \ll T, which leads to an increase of \tau_\varphi. However, the so-called 0D regime of dephasing, reached at T \ll E_{Th}, is practically the only relevant regime, in which Pauli blocking significantly influences the temperature dependence of \tau_\varphi. Despite of its fundamental physical importance, 0D dephasing has not been observed experimentally in the past. We investigate several possible scenarios for verifying its existence: (1) We analyze the temperature dependence of \Delta g in open and confined systems and give detailed instructions on how the crossover to 0D dephasing can be reliably detected. Two concrete examples are studied: an almost isolated ring and a new quantum dot model. However, we conclude that in transport experiments, 0D dephasing unavoidably occurs in the universal regime, in which all quantum corrections to the conductance depend only weakly on \tau_\varphi, and hence carry only weak signatures of 0D dephasing. (2) We study the quantum corrections to the polarizability \Delta \alpha of isolated systems, and derive their dependence on \tau_\varphi and temperature. We show that \tZeroD dephasing occurs in a temperature range, in which \Delta \alpha depends strongly (as a power-law) on \tau_\varphi, making the quantum corrections to the polarizability an ideal candidate to study dephasing at low temperatures and the influence of Pauli blocking.