This work focuses on the interaction of few-cycle laser pulses with nanosystems. Special emphasis is placed on the spatio-temporal evolution of the induced near-fields. Measurements on carrier-envelope-phase (CEP) controlled photoemission from isolated SiO2 nanospheres are taken by single-shot velocity map imaging (VMI) combined with CEP tagging. The obtained photoelectron spectra show a pronounced dependence on the CEP and extend to unexpectedly high energies. Comparison with numerical simulations identify the additional Coulomb forces of the liberated electron cloud as an effective additional acceleration mechanism for distinct trajectories. For larger spheres, an asymmetry in the field distribution is classically predicted. This asymmetry is also observed in the photoelectron momentum distributions. The mapping between position and momentum space in the VMI approach are investigated by analyzing the correlation of the photoelectron's birth and detection position. In a second set of experiments, photoemission at intensities exceeding 10^14 W/cm^2 from isolated nanospheres of different composition (SiO2, ZrO2, TiO2, Si, Au) is examined by stereo time-of-flight spectroscopy. It is found that the measured cutoff energies scale non-linearly with laser intensity depending on the material properties of the nanosystem. A trend towards a unified behavior for high intensities is observed indicating a drastic change in optical properties within the duration of the few-cycle laser pulse. The charge carrier generation mechanisms that could lead to such a transient effect are discussed. For a better understanding of the interaction of few-cycle fields with nanosystems, a direct access to the temporal evolution of (plasmonic) near-fields is highly desirable. The efforts on the realization of nanoplasmonic attosecond streaking spectroscopy are presented. Numerical simulations are used to identify the influence of the inhomogeneous near-field distributions on the streaking process. First experimental results obtained from Au nanotips show clear streaking features of sub-micron localized near-fields. The near-field oscillations are found to be phase offset as compared to reference measurements. The exact origin of the streaking features of the Au tip and possible improvements of the experimental approach are discussed. / Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Wechselwirkung von ultrakurzen Laserpulsen mit Nanosystemen wobei besonderes Augenmerk auf die örtlichen und zeitlichen Eigenschaften der erzeugten Nahfelder gelegt wird. Zur direkten und indirekten Bestimmung der Nahfeldentwicklung und -verteilung wird auf verschiedene Formen der Elektronenspektroskopie zurückgegriffen. Zum einen wird die Photoemission von isolierten SiO2 Nanokugeln mit Hilfe der Velocity-Map-Imaging-Methode bei gleichzeitiger Bestimmung der Träger-Einhüllenden-Phase der ultrakurzen Laserpulse gemessen. Die Impulsspektren zeigen eine starke Abhängigkeit von der Feldentwicklung des Laserfeldes und erstrecken sich zu unerwartet hohen Energien. Mit Hilfe numerischer Simulationen kann gezeigt werden, dass photoionisierte Elektronen eine hochdynamische Ladungsverteilung an der Oberfläche erzeugen, welche für eine zusätzliche Beschleunigung für ausgewählte Elektronentrajektorien verantwortlich ist. Messungen an Nanokugeln mit verschiedener Größe zeigen, dass die durch Propagationseffekte erzeugte asymmetrische Feldverteilung direkt auf die Impulsprojektionen übertragen wird. Die Korrelation zwischen Orts- und Impulsraum der Photoelektronen und eine mögliche Rekonstruktion der Feldverteilung an der Oberfläche werden diskutiert. Mit weiteren Experimenten an einem Stereo-Flugzeitspektrometer wird die Photoemission von Nanoteilchen unterschiedlicher Zusammensetzung (SiO2, ZrO2, TiO2, Si, Au) bei hohen Intensitäten oberhalb von 10^14W/cm^2 untersucht. Diese zeigen eine nichtlineare Abhängigkeit der höchsten Elektronenenergien von der Intensität. Die Gesetzmäßigkeit aller Materialien konvergiert, was ein starkes Indiz für eine drastische Änderung der optischen Eigenschaften noch während des Laserpulses ist. Die verfügbaren theoretischen Modelle zur Erzeugung freier Ladungsträger, die zu einem solchen transienten Effekt führen können, werden diskutiert. Zeitaufgelöste Messungen der Nahfeldoszillationen an Nanoteilchen würden ein tiefgreifenderes Verständnis und Charakterisierung der kollektiven Elektronendynamik ermöglichen. Die Anwendung von Attosekundenpulsen zu diesem Zweck wird diskutiert wobei besonderes Augenmerk auf die inhomogene örtliche Verteilung der Felder an Nanostrukturen gelegt wird. Erste experimentelle Resultate zur Messung der Nahfeldoszillationen an Gold-Nanospitzen werden präsentiert. Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Phasenversatz zu Referenzmessungen. Die örtliche Herkunft des Signals und mögliche Verbesserungen des Experiments werden aufgezeigt.

In dieser Arbeit berichten wir über die Beobachtung der dielektrischen Laserbeschleunigung nichtrelativistischer Elektronen mithilfe des inversen Smith-Purcell Effekts bei optischen Wellenlängen. Wenn die Phasengeschwindigkeit von evaneszenten Wellen nahe periodischer Gitterstrukturen mit der Elektronengeschwindigkeit übereinstimmt, kann eine vorwärtsgerichtete elektrische Feldkomponente das Elektron kontinuierlich beschleunigen. Dieser Effekt tritt jedoch nur im Nahfeld passender photonischer Strukturen auf, d.h., dass der Elektronenstrahl die Struktur in Abständen, die kleiner als die Wellenlänge sind, passieren muss. Für die Beschleunigung nichtrelativistischer 28keV Elektronen verwenden wir die dritte Raumharmonische eines Quarzgitters, die mittels Lichtpulsen eines Titan-Saphir-Oszillators angeregt wird. Wir messen einen maximalen Energiegewinn von 280eV, was einem Beschleunigungsgradienten von 25MeV/m entspricht. Dieser Wert ist vergleichbar mit dem Gradienten heutiger Radiofrequenz-Linearbeschleuniger. Um diese Beschleunigung zu erfahren, passieren die Elektronen die Gitteroberfläche in einem Abstand von weniger als 100nm. Im Rahmen dieser Arbeit beschreiben wir die Theorie der Elektronenbeschleunigung im Nahfeld von Gitterstrukturen und diskutieren Simulationsergebnisse zu dieser dielektrischen Laserbeschleunigung. Unsere Messergebnisse stimmen sehr gut mit den Simulationen überein und bestätigen deshalb die direkte Beschleunigung im Lichtfeld. Zusätzlich diskutieren wir die Elektronenbeschleunigung in Doppelgitterstrukturen, das Dephasieren nichtrelativistischer Elektronen, sowie den Raumladungseffekt, der den Spitzenstrahlstrom in diesen neuartigen, auf Mikrostrukturen basierenden Beschleunigern begrenzt. Die hier verwendeten photonischen Gitterstrukturen können direkt aneinandergereiht werden und erfüllen damit die Voraussetzung für skalierbare Linearbeschleuniger. Außerdem sind unsere Strukturen kompatibel mit den Mikrostrukturen, an denen die dielektrische Laserbeschleunigung relativistischer Elektronen zeitgleich durch unsere Kollegen in Stanford demonstriert wurde. Das Potenzial dielektrischer Laserbeschleuniger liegt in dem bis zu zwei Größenordnungen höheren Beschleunigungsgradienten verglichen mit konventionellen Beschleunigereinrichtungen, was sich letztendlich auf die größere Zerstörschwelle dielektrischer Materialien bei optischen Wellenlängen im Vergleich zu Metallen im Radio- und Mikrowellenbereich zurückführen lässt, die eine erhöhte Oberflächenspannungsfestigkeit zur Folge hat. Dieser erhöhte Beschleunigungsgradient könnte den Bau von deutlich kompakteren und kostengünstigeren Beschleunigern erlauben. Wir geben einen Ausblick auf den möglichen Aufbau solcher zukünftiger optischen Beschleuniger und auf deren potentiellen Anwendungen in kompakten Freie-Elektronen-Lasern. / This thesis reports on the observation of dielectric laser acceleration of non-relativistic electrons via the inverse Smith-Purcell effect in the optical regime. Evanescent modes in the vicinity of a periodic grating structure can travel at the same velocity as the electrons along the grating surface. A longitudinal electric field component is used to continuously impart momentum onto the electrons. This is only possible in the near-field of a suitable photonic structure, which means that the electron beam has to pass the structure within about one wavelength. In our experiment we exploit the third spatial harmonic of a single fused silica grating excited by laser pulses derived from a Titanium:sapphire oscillator and accelerate non-relativistic 28keV electrons. We measure a maximum energy gain of 280eV, corresponding to an acceleration gradient of 25MeV/m, already comparable with state-of-the-art radio-frequency linear accelerators. To experience this acceleration gradient the electrons approach the grating closer than 100nm. We present the theory behind grating-based particle acceleration and discuss simulation results of dielectric laser acceleration in the near-field of photonic grating structures, which is excited by near-infrared laser light. Our measurements show excellent agreement with our simulation results and therefore confirm the direct acceleration with the light field. We further discuss the acceleration inside double grating structures, dephasing effects of non-relativistic electrons as well as the space charge effect, which can limit the attainable peak currents of these novel accelerator structures. The photonic structures described in this work can be readily concatenated and therefore represent a scalable realization of dielectric laser acceleration. Furthermore, our structures are directly compatible with the microstructures used for the acceleration of relativistic electrons demonstrated in parallel to this work by our collaborators in Stanford. The potential of dielectric laser accelerators lies in the larger attainable acceleration gradients resulting in a more compact design as well as a lower cost of these devices compared with conventional accelerator facilities. This size reduction by potentially a factor of 100 is owed to the two orders of magnitude larger damage threshold of dielectric materials as compared to metals. We present an outlook towards the design of an envisioned large-scale dielectric laser accelerator and its possible application in future compact free electron lasers.

The ratio of heating power going to electrons and ions will undergo a transition from mixed electron and ion heating as it is in current fusion experiments to dominant electron heating in future experiments and reactors. In order to make valid projections towards future devices the connected changes in plasma response and performance are important to be study and understand: Do electron heated plasmas behave systematically different or is the change of heated species fully compensated by heat exchange from electrons to ions? How does particle transport influence the density profile? Is the energy confinement and the H-mode pedestal reduced with reduced torque input? Does the turbulent transport regime change fundamentally? The unique capabilities of the ECRH system at ASDEX Upgrade enable this change of heated species by replacing NBI with ECRH power and thereby offer the possibility to discuss these and other questions. For low heating powers corresponding to high collisionalities the transition from mixed electron and ion heating to pure electron heating showed next to no degradation of the global plasma parameters and no change of the edge values of kinetic profiles. The electron density shows an increased central peaking with increased ECRH power. The central electron temperature stays constant while the ion temperature decreases slightly. The toroidal rotation decreases with reduced NBI fraction, but does not influence the profile stability. The power balance analysis shows a large energy transfer from electrons to ions, so that the electron heat flux approaches zero at the edge whereas the ion heat flux is independent of heating mix. The ion heat diffusivity exceeds the electron one. For high power, low collisionality discharges global plasma parameters show a slight degradation with increasing electron heating. The density profile shows a strong peaking which remains unchanged when modifying the heating mix. The electron temperature profile is unchanged whereas the central ion temperature decreases significantly with increasing ECRH fraction. The relative contribution of the heat exchange is smaller so that the electrons still carry a substantial fraction of heat at the edge. The ion heat flux is still independent of the heating mix and the ion heat diffusivity exceeds the electron one. The radial electrical field does not show any variation with changing heating mix. The analysis of the whole database of discharges shows a degradation of the ion temperature gradient with increasing Te/Ti and a steepening with increasing gradient of the toroidal rotation. These findings complement previous studies. The electron density, and the electron and ion temperatures were modelled with a first principle code. The applied sawtooth model could reproduce the experimental observations. The profile shapes, the changing Te/Ti and the peaking of the density and temperature profiles agree very well with the experimental data. Linear gyrokinetic calculations found the ion temperature gradient mode to be the dominant candidate for heat transport. The investigations can explain the observed phenomena in the experiment, like the different degree of increase of ion heat flux or density peaking for various collisionalities. The results presented in this work show a consistent picture of the observed phenomena and the understanding of the main underlying physics. They allow a correct implementation in the applied computer codes and a reliable prediction of the performance of future fusion devices.

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This thesis presents a search for Supersymmetry in events with at least two hadronically decaying tau leptons and missing transverse energy. The ana\-lysis is focused on the electro-weak production of gaugino pairs. Electroweak production processes for SUSY particles are promising candidates for the discovery of Supersymmetry with $R$-parity conservation at hadron-hadron colliders. For the analysis a sample of proton-proton collisions at a center of mass energy of $\sqrt{s}=\unit[8]{TeV}$ with an integrated luminosity of $\int {\cal L}~\mathrm{dt}= \unit[20.3]{fb^{-1}}$ is used. The collisions have been recorded with the ATLAS detector at the LHC in the year 2012. In two different selections the Standard Model predictions are compared with the observations. The observation of 6 events in the first selection and 14 in the second does not deviate significantly from the Standard Model with an expectation of 11 events in the first selection and 17 in the second. These results are interpreted in a phenomenological Minimal Supersymmetric Standard Model and in simplified models. For a simplified model with a chargino-neutralino pair production scenario the parameter space for masses of the lightest neutralino up to $\unit[100]{GeV}$ and up to $\unit[350]{GeV}$ for the lightest chargino mass can be excluded. For a simplified model with chargino pair production processes the parameter space for the lightest neutralino mass up to $30-\unit[50]{GeV}$ in a range for the lightest chargino mass of $170-\unit[330]{GeV}$ can be excluded. This thesis is focused on the estimation techniques of Standard Model background processes. Different methods for the estimation of the background originating from $Z$-boson and top-quark decays are investigated. / In dieser Arbeit wird eine Suche nach Supersymmetrie für Ereignisse mit zwei hadronisch zerfallenden Tau Leptonen und fehlender Transversalenergie im Endzustand präsentiert. Die Analyse konzentriert sich dabei auf die elektroschwache Produktion von Gaugino Paaren. Elektroschwache Produktions\-prozesse sind vielversprechende Kandidaten für die Entdeckung der Supersymmetrie mit $R$-Paritätserhaltung an Hadron-Hadron Teilchenbeschleuni\-gern. Für die Analyse wurde ein Datensatz von Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktenergie von $\sqrt{s}=\unit[8]{TeV}$ mit einer integrierten Luminosität von $\int {\cal L}~\mathrm{dt}= \unit[20.3]{fb^{-1}}$ verwendet. Die Daten wurden mit dem ATLAS Detektor am LHC im Jahr 2012 aufgezeichnet. Die beobachteten Datenereignisse wurden mit den Vorhersagen des Standardmodells für zwei unterschiedliche Sätze von Signalauswahlkriterien verglichen. Die Beobachtung von 6 Ereignissen in der ersten Signalregion und 14 Ereignissen in der zweiten weicht nicht signifikant von den Vorhersagen des Standardmodells mit 11 Ereignissen in der ersten Signalregion und 17 in der zweiten ab. Diese Ergebnisse wurden mit Hinblick auf ein phänomenologisches minimal supersymmetrisches Standardmodell und auf vereinfachte supersymmetrische Modelle interpretiert. Für ein vereinfachtes Modell mit Chargino-Neutralino Paarproduktion kann der Parameterraum für Massen des leichtesten Neutralinos bis zu $\unit[100]{GeV}$ und bis zu $\unit[350]{GeV}$ für die Masse des leichtesten Charginos ausgeschlossen werden. Für ein vereinfachtes Mo\-dell mit Chargino Paarproduktion kann der Parameterraum für die leichteste Neutralinomasse bis zu $30-\unit[50]{GeV}$ in einem Bereich der leichtesten Chargino Masse von $170-\unit[330]{GeV}$ ausgeschlossen werden. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt jedoch auf den Verfahren, die zur Bestimmung des Standardmodell-Untergrundes benutzt werden. Unterschiedliche Methoden zur Bestimmung des Untergrunds aus $Z$-Boson und Top-Quark Zerfallsprozessen wurden untersucht.

The high confinement mode (H-mode) is the operational scenario foreseen for ITER, DEMO and future fusion power plants. At high densities, which are favourable in order to maximize the fusion power, a back transition from the H-mode to the low confinement mode (L-mode) is observed. This H-mode density limit (HDL) occurs at densities on the order of, but below, the Greenwald density. In this thesis, the HDL is revisited in the fully tungsten walled ASDEX Upgrade tokamak (AUG). In AUG discharges, four distinct operational phases were identified in the approach towards the HDL. First, there is a stable H-mode, where the plasma density increases at steady confinement, followed by a degrading H-mode, where the core electron density is fixed and the confinement, expressed as the energy confinement time, reduces. In the third phase, the breakdown of the H-mode and transition to the L-mode, the overall electron density is fixed and the confinement decreases further, leading, finally, to an L-mode, where the density increases again at a steady confinement at typical L-mode values until the disruptive Greenwald limit is reached. These four phases are reproducible, quasi-stable plasma regimes and provide a framework in which the HDL can be further analysed. Radiation losses and several other mechanisms, that were proposed as explanations for the HDL, are ruled out for the current set of AUG experiments with tungsten walls. In addition, a threshold of the radial electric field or of the power flux into the divertor appears to be responsible for the final transition back to L-mode, however, it does not determine the onset of the HDL. The observation of the four phases is explained by the combination of two mechanisms: a fueling limit due to an outward shift of the ionization profile and an additional energy loss channel, which decreases the confinement. The latter is most likely created by an increased radial convective transport at the edge of the plasma. It is shown that the four phases occur due to a coupling of these two mechanisms. These observations are in line with studies made at AUG with carbon walls, although in those discharges the energy loss was most likely caused by the full detachment of the divertor. The density of the HDL depends only weakly on the plasma current, unlike the Greenwald limit, and can be increased by high heating power, again unlike the Greenwald limit. The triangularity of the plasma has no influence on the density of the HDL, though improves the performance of the plasma, since the onset of the degrading H-mode phase occurs at higher densities. It is explicitly shown that the HDL and also the L-mode density limit are determined by edge parameters. Using pellet fueling, centrally elevated density profiles above the Greenwald limit can be achieved in stable H-modes at a moderate confinement. Future tokamaks will have intrinsic density peaking. Consequently, they will most likely operate in H-modes above the Greenwald limit. / Für den Betrieb von zukünftigen Fusionsexperimenten, wie ITER und DEMO, ist das H-Mode-Operationsregime vorgesehen, das sich gegenüber dem L-Mode-Regime durch einen verbesserten Energieeinschluss auszeichnet. Dabei werden hohe Dichten angestrebt um die Fusionsleistung zu maximieren. Bei zu hohen Dichten findet jedoch ein Übergang in das L-Mode-Regime statt. Dieses H-Mode-Dichtelimit (HDL) tritt in der Nähe des Greenwald Limits (GWL) auf, welches eine obere Dichtegrenze für den Betrieb von Tokamaks darstellt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde das H-Mode-Dichtelimit am Tokamak ASDEX Upgrade (AUG) im Betrieb mit einer Wolframwand experimentell untersucht. Verschiedene existierende Erklärungsansätze für das Auftreten des HDL, wie zum Beispiel der Einfluss von Strahlungsverlusten, wurden für die durchgeführten Experimente ausgeschlossen. Eine systematische Untersuchung zeigt, dass das HDL durch vier verschiedene, reproduzierbare und quasi-stabile Plasmazustände, die mit ansteigender Plasmadichte aufeinander folgen, charakterisiert wird. Die erste Phase ist eine stabile H-Mode, bei der die Dichte bei konstantem Druck ansteigt. Darauf folgt ein degradierendes H-Mode-Regime, bei dem die zentrale Dichte konstant ist und der Energieeinschluss verschlechtert wird. Die dritten Phase ist der Zusammenbruch des H-Mode-Regimes und somit das eigentliche HDL. Dabei wird der erhöhte H-Mode-Temperaturgradient am Rand abgebaut. In dieser Phase bleibt das gesamte Dichteprofil jedoch konstant. Mit der vierten Phase hat das Plasma das L-Mode-Regime erreicht, bei dem die Dichte bei einem konstanten, niedrigen Energieeinschluss wieder ansteigt. Grenzwerte des radialen elektrischen Feldes und die Leistungsschwelle der H-Mode erklären potentiell den Übergang in die L-Mode, können aber für das Einsetzen des HDL ausgeschlossen werden. Die vier Phasen werden durch eine Kombination von zwei Effekten erklärt: ein Absinken der Ionisationsrate im eingeschlossenen Plasma und ein zusätzlicher, bei hohen Dichten auftretender Energieverlustkanal. Diverse Beobachtungen deuten darauf hin, dass der Verlustkanal durch einen erhöhten konvektiven Transport am Rand des Plasmas entsteht. In dieser Arbeit wurden die vier Phasen auch in AUG Plasmen mit Kohlenstoffwand nachgewiesen. Die Unterschiede zwischen den Beobachtungen bei beiden Wandmaterialien werden auf eine Änderung des Energieverlustkanals zurückgeführt. Dieser Verlustkanal wurde bei Kohlenstoff durch das Ablösen des Plasmas von der Wand erklärt. Dieser Effekt konnte für Wolfram jedoch ausgeschlossen werden. Im Gegensatz zum GWL hängt die Dichte des HDLs im Betrieb mit Wolframwand nur schwach vom Plasmastrom ab. In dieser Arbeit wurde allerdings eine deutliche Abhängigkeit von der Heizleistung nachgewiesen. Die Triangularität des Plasmas hat keine Auswirkung auf die Dichte des HDL, kann aber die Einschlussgüte des Plasmas bei hohen Dichten deutlich erhöhen, da die degradierende Phase später einsetzt. Es wird gezeigt, dass man das HDL und das GWL mit zentral erhöhten Dichteprofilen überschreiten kann. Das beweist, dass beide Limits durch Parameter am Rand bestimmt werden. Hochtemperaturplasmen, wie in ITER und DEMO, werden voraussichtlich intrinsisch zentral erhöhte Dichteprofile haben und sollten entsprechend der vorgestellten Ergebnisse bei Dichten oberhalb des GWL in H-Mode betrieben werden können.

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The majority of stars in the universe has formed in disc galaxies with masses similar to that of the Milky Way. Ab-initio cosmological hydrodynamical simulations of the formation and evolution of galaxies in a Lambda Cold Dark Matter universe have long suffered from serious problems in correctly modelling the star-formation history and structure of disc galaxies. We first use idealized semi-cosmological simulations to gain a better understanding of processes leading to problems in disc formation simulations. We add rotating spheres of hot gas to cosmological dark-matter-only simulations of individual haloes and follow the formation and evolution of galaxy discs from the cooling gas. The initial orientation of the baryonic angular momentum with respect to the halo has a major effect on disc formation. Despite the coherently rotating initial conditions, the orientations of the disc and the outer gas and the relative angle between the components can all change by more than 90 degrees over several billion years. Dominant discs with realistic structural and kinematical properties form preferentially if slow cooling times shift disc formation to later times, if the initial angular momentum is aligned with the halo minor axis and if there is little reorientation of the disc. We then present a new set of fully cosmological simulations with an updated multiphase smoothed particle hydrodynamics galaxy formation code. The update includes improved treatment of metal-line cooling, metal production, turbulent diffusion of metals, kinetic and thermal supernova feedback and radiation pressure from massive young stars. We compare the models to a variety of observations at high and low redshifts and find good agreement for morphologies, stellar-to-dark-matter mass ratios, star formation rates, gas fractions and heavy element abundances. Agreement is better at redshift z=1 than at present day as discrepancies in star formation histories for the lowest and highest simulated galaxy masses become apparent at late times. 18 out of 19 of our model galaxies at z=0 contain stellar discs with kinematic disc fractions up to 65 %, higher than in any previous simulations. We finally compare our model galaxies in detail with recent observations of the structural evolution of stellar galactic discs and the structure of z=0 gas discs. Stellar surface density profiles agree well with observations at z>1, but reveal too little central growth afterwards. This is likely connected to a lack of bars in our simulations resulting from overly strong feedback. Discs at z=0 are too extended by a factor \sim 2. The discs have diverse formation histories ranging from pure inside-out growth in systems with quiescent merger histories to continuous mass growth at all radii. Central mass growth in our models is driven by mergers and misaligned infall events, which leave signatures in the present day distributions of radii and element abundances as functions of stellar age. Gas discs agree well with observations in terms of sizes and profile shapes, but on average have overly high gas-to-stellar mass ratios. Our models agree well with the observed neutral hydrogen mass-size relation. Despite significant progress, our models continue to suffer from various problems illustrating that we are still far away from capturing all relevant physical processes accurately.

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