Although thermophoresis, i.e. the directed movement of molecules in a temperature gradient, was discovered more than 150 years ago, its molecular origin is not jet fully understood. Nonetheless thermophoresis is used as a principle in biomolecular binding measurements. Both topics are interesting and worth a scientific discussion. In this thesis, systematic experiments over a large parameter space were conducted. From these measurements a combination of different theories about its molecular origin could be verified. Thus, the first result of this thesis is that the phenomenon thermophoresis consists of different additive contributions. Some of them relate to the ionic nature of the molecule and are non-existent when the molecule is electrically neutral. The microscopic mechanism of these ionic contributions to thermophoresis is discussed in the first part. It continues the work on the capacitor model and explains a further contribution, which we call Seebeck effect in analogy to solid state physics. Through the different contributions we bridge the gap between local thermodynamic equilibrium approaches and non-equilibrium theories. Several applications will greatly benefit from understanding the molecular physics of thermophoresis. Pharmacological screens are conducted to determine the binding affinity of a whole molecular library to a target molecule and thus to identify the best candidates for a new drug. These screens will be improved when thermophoresis can be predicted and for example the influence of the buffer can be determined. Binding measurements of biomolecules can already be conducted in cell lysate. The second part of this thesis will show thermophoresis measurements inside living cells for the first time. This paves the way for in vivo binding measurements inside cells. To make thermophoresis measurements compatible to cell culture, the setup was changed in great parts, now using total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. / Obwohl Thermophorese, das heißt die gerichtete Bewegung von Molekülen in einem Temperaturgradienten, schon vor mehr als 150 Jahren entdeckt wurde, ist ihre molekulare Ursache noch nicht restlos geklärt. Nichtsdestotrotz wird das Prinzip Thermophorese bereits in biomolekularen Bindungsmessungen eingesetzt. Beide Themengebiete sind spannend und wert, wissenschaftlich behandelt zu werden. In dieser Arbeit werden Experimente präsentiert, die einen großen Parameterraum abdecken. Durch diese Messungen konnte eine Kombination von Theorien zur molekularen Ursache überprüft und bestätigt werden. Damit lautet das erste Ergebnis dieser Arbeit, dass sich das Phänomen Thermophorese aus verschiedenen, additiven Beiträgen zusammensetzt. Einige davon können der ionischen Natur der Moleküle zugeordnet werden und sind wirkungslos bei elektrisch neutralen Molekülen. Der mikroskopische Mechanismus dieser ionischen Thermophoresebeiträge wird im ersten Teil behandelt. Dabei werden Arbeiten über das Kondensatormodell weitergeführt und ein zusätzlicher Beitrag diskutiert, den wir in Analogie zur Festkörperphysik Seebeck-Effekt nennen. Durch die verschiedenen Beiträge ist es gelungen, Theorien zu vereinen, die einerseits von einem lokalen, thermischen Gleichgewicht ausgehen, oder andererseits ein Nicht-Gleichgewichts-Phänomen beschreiben. Das physikalische Verständnis der Thermophorese auf molekularer Basis kommt auch ihrer Anwendung zugute. In der Pharmazie werden “Rasterfahndungen” durchgeführt, in denen die Bindungsaffinität einer ganzen Molekülbibliothek an ein Zielmolekül gemessen wird, um so die besten Kandidaten für einen neuen Wirkstoff heraus zu filtern. Diese profitieren, wenn Thermophorese vorhergesagt und zum Beispiel der Einfluss des Puffers bestimmt werden kann. Bindungskurven von Biomolekülen können heute schon in Zelllysat gemessen werden. Im zweiten Teil der Arbeit werden zum ersten Mal Thermophoresemessungen in lebenden Zellen vorgestellt. Dies bereitet den Weg für Bindungsmessungen in vivo. Um Thermophoresemessungen kompatibel zu Zellkulturen zu gestalten, wurde der Aufbau in entscheidenden Teilen angepasst, unter Benutzung von interner Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (TIRF).

Diese Arbeit ist eine kumulative Dissertation und besteht aus drei Aufsätzen. Sie setzt die Studien der Diplomarbeit zur eigenständig kohärenten Beschreibung der wakevermittelten Modenkopplung in Plasmakristallen fort. Der erste Aufsatz untersucht die Ionengeschwindigkeitsverteilung (idf) in einem schwach-ionisierten Gas, welches einem homogenen elektrischen Feld ausgesetzt ist und in dem Ladungsaustauschkollisionen der dominante Stoßtyp sind. Die Untersuchung geht dabei nur von elementaren Grundprinzipien aus und ist somit eigenständig kohärent. Die "Referenzverteilung" wird mittels einer Monte-Carlo-Simulation (MC-Simulation) am Beispiel des energieabhängigen Wirkungsquerschnitts für Argon berechnet. Ich nutze mehrere analytische Modelle (basierend auf einem konstanten Wirkungsquerschnitt oder konstanter Stoßfrequenz) und vergleiche die entsprechenden idfs untereinander, sowie mit der Referenzlösung. Es zeigt sich, dass kein Modell für den experimentell häufig wichtigen Fall eines schwach suprathermalen Ionenstroms mit befriedigender Genauigkeit anwendbar ist. Einen konstanten Wirkungsquerschnitt und Separabilität der idf annehmend, sowie darauf folgende Maxwell-gewichtete Mittelung, reduziert die integro-differentielle Boltzmanngleichung zu einer gewöhnlichen Differentialgleichung. Ich zeige, dass ihre Lösung die Resultate der MC-Simulation, für beliebige Stärke des Ionenstroms, mit großer Genauigkeit reproduziert. Das gewonnene Modell lässt sich auf eine Vielzahl von Problemen im Bereich der komplexen Plasmen anwenden - darunter der Ladungsvorgang der Staubteilchen, die Bildung von Wakefeldern und nicht-Hamiltonische Dynamik. Im zweiten Aufsatz behandle ich das vorrangige Beispiel eines nicht-Hamiltonischen Prozesses in zweidimensionalen (2D) Plasmakristallen: Die Modenkopplungsinstabilität (MCI), induziert durch die wakevermittelte Wechselwirkung der Staubteilchen. Durch das Einbinden des Formalismus einer linearen Plasmarückantwort (zur eigenständig kohärenten Beschreibung der Teilchenwechselwirkung) wird die bisherige Theorie erweitert. Ich verwende dazu die Ergebnisse des ersten Aufsatzes für subthermale und suprathermale Ionenströme. Ein Abbildungsverfahren setzt die eigenständig kohärenten Kopplungskoeffizienten und das effektive Dipolmoment der Wakes miteinander in Beziehung. Das Dipolmoment ist ein fundamentaler Parameter, welcher die Modenkopplung im üblicherweise verwendeten "Yukawa-Punktwake-Modell" charakterisiert. Ich wende das Abbildungsverfahren auf verfügbare experimentelle Daten an. Die resultierende Größenordnung des Dipolmoment zeigt in mehreren Fällen das Vorliegen starker Modenkopplung an. Diese wurde zuvor nie systematisch untersucht. Dieses Ergebnis motiviert die Untersuchungen der dritten Veröffentlichung: Ich studiere den Einfluss starker Staubteilchen-Wake-Wechselwirkungen auf Dispersion und Polarisation von Staubgittermoden in 2D-Plasmakristallen. Die starke Kopplung bewirkt eine "Anziehung" zwischen den Moden und macht ihre Polarisationen elliptisch. Bei Hybri- disierung rotieren die Hauptachsen der Lissajous-Ellipsen um 45° (bleiben aber weiterhin senkrecht zueinander). Um die Implikationen für Experimente aufzuzeigen, berechne ich die entsprechenden Teilchenbahnen und spektrale Dichten der longitudinalen und transversalen Moden. Beide Observablen offenbaren deutliche Spuren elliptischer Polarisation. Abschließend untersuche ich die Verschiebung der Hybridisierung bei starker Kopplung. Der Effekt ist signifikant: Das Einsetzen der Hybridisierung erfolgt bei Wellenzahlen welche merklich kleiner sind als die Grenze der Brillouin-Zone (wo die Hybridmode bei schwacher Kopplung zuerst auftritt). / The present work is a cumulative thesis consisting of three refereed publications. It continues the diploma studies dealing with the self-consistent investigation of wake-mediated mode-coupling in plasma crystals. In the first paper, I investigate the ion-velocity distribution function (idf) of a weakly- ionized gas, subjected to a uniform electric field and ion-neutral charge-exchange collisions. The "reference" idf, based on the energy-dependent cross-section for argon, is calculated by Monte-Carlo (MC) simulations. I consider several analytical models (based on either constant cross-section or constant collision-frequency) and compare them with each other and to MC results. It is demonstrated that none of available models applies to the experimentally often relevant situation of slightly suprathermal ion-flow. Assuming constant cross-section and separability of idf, followed by subsequent application of Maxwellian- averaging, the integro-differential Boltzmann equation is reduced to a simple differential equation. Evidently, its solution reproduces the reference idf with good accuracy for arbitrary value of field strength. These studies are of fundamental importance for a variety of problems in complex plasmas - among them the charging of dust grains, the formation of wake fields and non-Hamiltonian dynamics. The second paper deals with the primary example of non-Hamiltonian dynamics in two-dimensional (2D) plasma crystals: The mode-coupling instability (MCI), induced by the wake-mediated interactions between grains. The corresponding theory is extended by using the linear-response formalism for the self-consistent description of particle interactions. In this approach, I employ the results from the first paper for subthermal and suprathermal regimes of ion flow. A mapping procedure relates the self-consistent coupling coefficients to the effective wake dipole moment - the parameter essentially characterizing the mode coupling in the framework of conventionally used Yukawa/point-wake model. I apply the mapping to several available experiments and compare theoretically obtained dipole moments with experimental data. In several cases, the resulting magnitude of dipole moment indicates strong mode-coupling, which was never systematically studied. In the third publication, I investigate the effects of strong grain-wake interactions on dispersion and polarization of dust-lattice wave modes in 2D plasma crystals. Strong coupling causes an "attraction effect" between the modes, making their polarizations elliptical. Upon hybridization, the Lissajous ellipses major axes rotate by 45° (but remain mutually orthogonal). I show the implications for experiments by calculating representative particle trajectories and spectral densities of longitudinal and transverse waves. Both these observables reveal the distinct fingerprints of elliptical polarization. Furthermore, I investigate the shift of the hybrid mode at strong coupling. The effect is found to be significant: The hybridization onset is at wave numbers which are notably smaller than the border of the first Brillouin zone (where the onset takes place in the regime of weak coupling).

Specific interactions of biomolecules are central to cellular processes, drug discovery and immunodiagnostics. Such biological binding events are quantifiable via thermophoresis, the directed molecule movement driven by a temperature gradient. Biomolecule thermophoresis can be induced by infrared laser heating and analyzed using fluorescence. The objective of this thesis was to enhance and optimize these all-optical measurements, regarding instrumentation, assay design and biomedical applications. In the first part, a novel measurement device and approach are presented, which cut down sample consumption 50-fold compared to established capillary thermophoresis. Instead of capillaries, analysis was performed in 10 nl-sample droplets transferred into standard 1536-well plates with a non-contact liquid handler (Labcyte). To prevent evaporation, the aqueous sample droplets were stabilized in an oil-surfactant mix. Temperature induced effects in this water-in-oil system were experimentally characterized and the results agreed with numerical simulation. The system’s applicability for biomolecular interaction analysis was confirmed with a DNA aptamer. The achieved miniaturization and the easy-to-handle multi-well plate format promote automated high-throughput screens. Besides aptamers, proteins should also be measurable very well when judging from the application depth of capillary measurements. This versatility of protein investigation via capillary thermophoresis is demonstrated in the second part. Successful experiments were not only conducted in diverse liquids including crude cell lysate, but also for binding partners with a broad range of molecular weight ratios. Affinities between protein and protein, protein and peptide, as well as protein and small molecule were determined with high accuracy. Further flexibility arises from the herein presented label free approach which utilizes protein intrinsic UV fluorescence. It is caused by aromatic amino acids with tryptophan being the major intrinsic fluorophore. This approach exempts from the need to attach a dye, which saves time and excludes labeling artifacts. The wide variety of proteins that can be analyzed with thermophoresis also includes anti-bodies. Two applications of such thermophoretic immunoassays are introduced in the third part. Firstly, the therapeutically interesting antibody MCPR3-7 was assessed. MCPR3-7 binds proteinase 3 (PR3), the major autoimmune target in granulomatosis with polyangiitis. Thermophoresis allowed to quantified MCPR3-7’s affinity and selectivity for different PR3 forms. In addition, it revealed that the antibody interferes with the complexation of PR3 and alpha-1-proteinase inhibitor (alpha-1PI). Secondly, a diagnostic autocompetition assay is described, which directly determines affinity and concentration of disease related biomarkers. It was applied for autoantibodies against the cardiac β1-adrenoceptor found in patients suffering from dilated cardiomyopathy. To detect these autoantibodies, the small peptide COR1 mimicking the adrenoceptor’s dominant epitope served as an artificial antigen. This tracer was labeled with a red-fluorescent dye, which ensured selectivity for measurements directly in untreated human blood serum. The results prove that thermophoresis is a valuable tool to characterize antibodies including those of diagnostic value and those with a therapeutic potential. Taken together, the presented innovations in assay design and the novel nl-droplet approach can be expected to considerably widen the application spectrum of thermophoresis in fundamental research, industrial drug discovery and clinical laboratory diagnostics. / Spezifische Interaktionen von Biomolekülen sind von zentraler Bedeutung für zelluläre Prozesse, die Entwicklung neuer Medikamente und die Immundiagnostik. Solche biologischen Bindungsvorgänge lassen sich mittels Thermophorese, der gerichteten Molekülbewegung entlang eines Temperaturgradienten, quantifizieren. Die Thermophorese von Biomolekülen kann durch Infrarotlaser-Heizen induziert und mittels Fluoreszenz analysiert werden. Die Weiterentwicklung dieses optischen Verfahrens bezüglich des Messinstruments, des Versuchsdesigns und der biomedizinischen Anwendungen war das Ziel der vorliegenden Dissertation. Im ersten Teil wird eine neuartige Technik vorgestellt, die den Probenverbrauch verglichen mit etablierten Kapillarmessungen um den Faktor 50 verkleinert. Statt in Kapillaren wurde in 10 nl-großen Probentropfen gemessen, die mit einem kontaktfreien Liquid-Handler (Labcyte) in eine 1536-Well-Platte übertragen wurden. Zum Schutz vor Verdunstung wurden die Tropfen in eine Öl-Tensid-Schicht transferiert. Temperaturinduzierte Effekte in diesem Wasser-in-Öl-System wurden experimentell charakterisiert, wobei die Ergebnisse durch numerischen Simulationen bestätigt wurden. Dass sich die Methode für biomolekulare Interaktionstests eignet, wurde anhand eines DNA-Aptamers belegt. Die Miniaturisierung und die einfache Handhabung der Multi-Well-Platten ermöglichen automatisierte Hochdurchsatz-Screens. Neben Aptameren sollten sich auch Proteine sehr gut untersuchen lassen, wenn man von einer ähnlichen Anwendungsbreite wie bei Kapillarmessungen ausgeht. Auf derartige Proteinuntersuchungen mittels Kapillarthermophorese wird im zweiten Teil eingegangen. Analysen wurden nicht nur in diversen Puffern und sogar in rohem Zelllysat durchgeführt, sondern auch mit unterschiedlichsten Bindungspartnern. So wurden Affinitäten zwischen Protein und Protein, Protein und Peptid, sowie Protein und niedermolekularer Verbindung mit hoher Genauigkeit bestimmt. Thermophoresetests gewinnen durch das in dieser Arbeit präsentierte, markierungsfreie Verfahren zusätzlich an Flexibilität. Es basiert auf der intrinsischen UV-Fluoreszenz von Proteinen, die auf aromatische Aminosäuren, hauptsächlich Tryptophan, zurückzuführen ist. Somit müssen Proteine nicht mehr mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert werden, was Zeit spart und Artefakte ausschließt. Der dritte Teil behandelt die Quantifizierung von Antikörpern. Thermophoretische Immunassays wurden für zwei biomedizinische Fragestellungen eingesetzt. Zunächst wurde der aus therapeutischer Sicht interessante Antikörper MCPR3-7 untersucht. Er ist gegen Proteinase 3 (PR3) gerichtet, das Hauptepitop autoimmuner Antikörper bei der granulomatösen Polyangiitis. Mithilfe der Thermophorese wurde sowohl die Affinität von MCPR3-7 für verschiedene PR3-Formen quantifiziert, als auch gezeigt, dass der Antikörper die Komplexierung von PR3 und alpha-1-Proteinaseinhibitor (alpha-1PI) stört. Ferner wird ein diagnostisches Autokompetitionsverfahren vorgestellt, das gleichzeitig die Affinität und die Konzentration von Biomarkern in humanem Blutserum quantifiziert. Autoantikörper gegen den kardialen β1-Adrenozeptor, die mit der dilatativen Kardiomyopathie assoziiert sind, wurden mithilfe des kurzen Peptides COR1 analysiert, das das dominante Epitop nachstellt. Die Ergebnisse belegen, dass die Thermophorese ein wertvolles Werkzeug für die Antikörpercharakterisierung ist. Zusammengefasst lassen die vorgestellten Neuerungen eine umfangreiche Erweiterung des Anwendungssprektrums der Biomolekülthermophorese in der Grundlagenforschung, der industriellen Wirkstoffsuche und der klinischen Labordiagnostik erwarten.

Judging by the compelling number of innovations based on taming quantum mechanical effects, such as the development of transistors and lasers, further research in this field promises to tackle further technological challenges in the years to come. This statement gains even more importance in the information processing scenario. Here, the growing data generation and the correspondingly higher need for more efficient computational resources and secure high bandwidth networks are central problems which need to be tackled. In this sense, the required CPU minituarization makes the design of structures at atomic levels inevitable, as foreseen by Moore's law. From these perspectives, it is necessary to concentrate further research efforts into controlling and manipulating quantum mechanical systems. This enables for example to encode quantum superposition states to tackle problems which are computationally NP hard and which therefore cannot be solved efficiently by classical computers. The only limitation affecting these solutions is the low scalability of existing quantum systems. Similarly, quantum communication schemes are devised to certify the secure transmission of quantum information, but are still limited by a low transmission bandwidth. This thesis follows the guideline defined by these research projects and aims to further increase the scalability of the quantum mechanical systems required to perform these tasks. The method used here is to encode quantum states into photons generated by spontaneous parametric down-conversion (SPDC). An intrinsic limitation of photons is that the scalability of quantum information schemes employing them is limited by the low detection efficiency of commercial single photon detectors. This is addressed by encoding higher dimensional quantum states into two photons, increasing the scalability of the scheme in comparison to multi-photon states. Further on, the encoding of quantum information into the emission-time degree of freedom improves its applicability to long distance quantum communication schemes. By doing that, the intrinsic limitations of other schemes based on the encoding into the momentum and polarization degree of freedom are overcome. This work presents results on a scalable experimental implementation of time-energy encoded higher dimensional states, demonstrating the feasibility of the scheme. Further tools are defined and used to characterize the properties of the prepared quantum states, such as their entanglement, their dimension and their preparation fidelity. Finally, the method of quantum state tomography is used to fully determine the underlying quantum states at the cost of an increased measurement effort and thus operation time. It is at this point that results obtained from the research field of compressed sensing help to decrease the necessary number of measurements. This scheme is compared with an adaptive tomography scheme designed to offer an additional reconstruction speedup. These results display the scalability of the scheme to bipartite dimensions higher than 2x8, equivalent to the encoding of quantum information into more than 6 qubits. / Es ist in den letzten Jahren immer deutlicher geworden, dass weitere Forschung zur Untersuchung von quantenmechanischen Systemen durchgeführt werden muss um die wachsenden Probleme in der heutigen Informationstechnologie zu adressieren. Insbesondere sticht hier die exponentiell wachsende Nachfrage nach Computerressourcen und nach sicheren Kommunikationsprotokollen mit hoher Bandbreite hervor, um der weiter wachsenden Datengenerationsrate standzuhalten. Dies stösst auf fundamentale Grenzen, wie die erforderliche Miniaturisierung von Prozessorstrukturen (CPUs) auf atomare Dimensionen demonstriert. Von dieser Perspektive her ist es erforderlich weitere Forschung zur Kontrolle und Manipulation von Quantenzuständen durchzuführen, wie sie zum Beispiel im Feld der Quanteninformation erfolgt ist. Diese Strategie ermöglicht es von weiteren Eigenschaften der Quantenmechanik, wie zum Beispiel der Präparation von Superpositionszuständen, Gebrauch zu machen. Dies ist insbesondere relevant, da es ermöglicht NP harte Probleme zu lösen, die durch klassische Computer nicht effizient gelöst werden können. Allerdings sind bisher experimentell realisierte quantenmechanische Systeme noch nicht skalierbar genug um den Anforderungen der klassischen Technologie gerecht zu werden. Ähnlichen Argumenten folgend sind Quantenkommunikationssysteme, die die Sicherheit von Kommunikationsprotokolle zertifizieren können, noch nicht in der Lage angemessene Bandbreiten zu gewährleisten. Diese Doktorarbeit gliedert sich diesen Forschungsprojekten an, mit dem Ziel die Skalierbarkeit von quantenmechanischen Systemen zu vergrössern und entsprechend den genannten Anforderungen gerecht zu machen. Die Strategie die hier verfolgt wird basiert auf die Kodierung von Quantenzuständen in Photonenpaare, die durch den Prozess der Spontanen Parametrischen Down-conversion (SPDC) erzeugt werden. Dieses Verfahren bringt allerdings eine limitierte Skalierbarkeit der Quantensysteme mit sich, da die Detektionseffizienz von kommerziell erhältlichen Einzelphotonendetektoren limitiert ist. Dieses Problem wird in dieser Arbeit umgangen indem die Quantenzustände in höher dimensionale Hilberträume eines Zweiphotonenzustands kodiert werden, was einen deutlichen Vorteil gegenüber der Kodierung in einen Mehrphotonenzustand darstellt. Darüber hinaus ermöglicht die Kodierung der Quantenzustände in den Emissionszeit Freiheitsgrad der Photonen intrinsische Vorteile bei ihrer Anwendung auf die Quantenkommunikation. Hier ist insbesondere der Vorteil gegenüber der Kodierung in den Impuls- und Polarisationsfreiheitsgrad gemeint, die durch deutliche Einschränkungen bei der Transmission über lange Strecken gekennzeichnet sind. Mit einem Augenmerk auf diese Ziele wird in dieser Arbeit die experimentelle Umsetzbarkeit des beschriebenen Schemas gezeigt. Dies wurde durch die Anwendung von geeigneten Maßen wie die Verschränkung, Dimension und Präparationsfidelity auf die generierten Zustände quantifiziert. Insbesondere bei der Abschätzung der Fidelity wurde von Forschungsergebnissen rund um Compressed Sensing Gebrauch gemacht und weiter mit einem adaptiven Messschema kombiniert, um die effektive Betriebszeit dieser Systeme zu verringern. Dies ist für die weitere skalierbare Anwendung zur Quanteninformationsverarbeitung von Vorteil. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass eine Skalierbarkeit der Dimension des Systems auf grösser als 2x8 Dimensionen, äquivalent zur Dimension eines 6-Qubit Zustands, in der Reichweite einer experimentellen Umsetzung liegt.

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In this thesis we study the low-energy effective dynamics emerging from a class of F-theory compactifications in four and six dimensions. We also investigate six-dimensional supersymmetric quantum field theories with self-dual tensors, motivated by the problem of describing the long-wavelength regime of a stack of M5-branes in M-theory. These setups share interesting common features. They both constitute examples of intrinsically non-perturbative physics. On the one hand, in the context of F-theory the non-perturbative character is encoded in the geometric formulation of this class of string vacua, which allows the complexified string coupling to vary in space. On the other hand, the dynamics of a stack of multiple M5-branes flows in the infrared to a novel kind of superconformal field theories in six dimensions - commonly referred to as (2,0) theories - that are expected to possess no perturbative weakly coupled regime and have resisted a complete understanding so far. In particular, no Lagrangian description is known for these models. The strategy we employ to address these two problems is also analogous. A recurring Leitmotif of our work is a transdimensional treatment of the system under examination: in order to extract information about dynamics in $d$ dimensions we consider a (d-1)-dimensional setup. As far as F-theory compactifications are concerned, this is a consequence of the duality between M-theory and F-theory, which constitutes our main tool in the derivation of the effective action of F-theory compactifications. We apply it to six-dimensional F-theory vacua, obtained by taking the internal space to be an elliptically fibered Calabi-Yau threefold, but we also employ it to explore a novel kind of F-theory constructions in four dimensions based on manifolds with Spin(7) holonomy. With reference to six-dimensional (2,0) theories, the transdimensional character of our approach relies in the idea of studying these theories in five dimensions. Indeed, we propose a Lagrangian that is formulated in five dimensions but has the potential to capture the six-dimensional interactions of (2,0) theories. This investigation leads us to explore in closer detail the relation between physics in five and in six dimensions. One of the outcomes of our exploration is a general result for one-loop corrections to Chern-Simons couplings in five dimensions.

The upcoming luminosity upgrades of the LHC accelerator at CERN demand several upgrades to the detectors of the ATLAS muon spectrometer, mainly due to the proportionally increasing rate of uncorrelated background irradiation. This concerns also the "Small Wheel" tracking stations of the ATLAS muon spectrometer, where precise muon track reconstruction will no longer be assured when around 2020 the LHC luminosity is expected to reach values 2 to 5 times the design luminosity of $1 \times 10^{34} \text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$, and when background hit rates will exceed 10 kHz/cm$^2$. This, together with the need of an additional triggering station in this area with an angular resolution of 1 mrad, requires the construction of "New Small Wheel" detectors for a complete replacement during the long maintenance period in 2018 and 2019. As possible technology for these New Small Wheels, high-rate capable sMDT drift tubes have been investigated, based on the ATLAS 30 mm Monitored Drift Tube technology, but with a smaller diameter of 15 mm. In this work, a prototype sMDT chamber has been tested under the influence of high-rate irradiation with protons, neutrons and photons at the Munich tandem accelerator, simulating the conditions within a high luminosity LHC experiment. Tracking resolution and detection efficiency for minimum ionizing muons are presented as a function of irradiation rate. The experimental muon trigger geometry allows to distinguish between efficiency degradation due to deadtime effects and space charge in the detectors. Using modified readout electronics the analog pulse shape of the detector has been investigated for gain reduction and potential irregularities due to the high irradiation rates and ionization doses. This study shows that the sMDT detectors would fulfill all requirements for successful use in the ATLAS New Small Wheel endcap detector array, with an average spatial resolution of 140 $\mu$m and a track reconstruction efficiency of around 72\% for a single tube layer at 10 kHz/cm$^2$ irradiation rate. A second proposal for a New Small Wheel detector technology are Micromegas detectors. These highly segmented planar gaseous detectors are capable of very high rate particle tracking with single plane angular resolution or track reconstruction. The ATLAS community has decided in 2013 in favor of this technology for precision tracking in the New Small Wheels. A prototype Micromegas detector will be installed in summer 2014 on the present ATLAS Small Wheel to serve as test case of the technology and as template for the necessary changes to the ATLAS hardware and software infrastructure. To fully profit from this installation, an ATLAS compatible Read Out Driver (ROD) had to be developed, that allows to completely integrate the prototype chamber into the ATLAS data acquisition chain. This device contains state-of-the-art FPGAs and is based on the Scalable Readout System (SRS) of the RD51 collaboration. The system design, its necessary functionalities and its interfaces to other systems are presented at use of APV25 frontend chips. Several initial issues with the system have been solved during the development. The new ROD was integrated into the ATLAS Monitored Drift Tube Readout and into a VME based readout system of the LMU Cosmic Ray Facility. Additional successful operation has been proven meanwhile in several test cases within the ATLAS infrastructure. The whole data acquisition chain is ready for productive use in the ATLAS environment. / Die zukuenftigen Upgrades des LHC Beschleunigers am CERN erfordern mehrere Verbesserungen der Detektoren des ATLAS Myonspektrometers, hauptsaechlich wegen der damit einhergehenden Erhoehung der unkorrellierten Untergrund Trefferrate. Dies betrifft auch das "Small Wheel" des ATLAS Endkappen-Myonspektrometers. Eine praezise Myon Spurrekonstruktion kann nicht laenger sichergestellt werden, wenn die Luminositaet gegen 2020 um einen Faktor 2 bis 5 oberhalb des Designwertes von $1 \times 10^{34} \text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$ liegen wird, und wegen der Untergrund Trefferraten oberhalb von 10 kHz/cm$^2$. Dies, zusammen mit dem Bedarf an einer zusaetzlichen Triggerstation mit einer Winkelaufloesung besser als 1 mrad, erfordert den Bau von "New Small Wheel" Detektoren. Der Austausch ist fuer die lange Wartungsperiode 2018 und 2019 geplant. Als moegliche Technologie fuer die beiden New Small Wheels wurden sMDT Driftrohre, basierend auf der ATLAS 30 mm Monitored Drift Tube Technologie, getestet. Bei einem halbierten Durchmesser von 15 mm erwartet man diese als genuegend hochratenfest. In der vorliegenden Arbeit wurde am Muenchner Tandembeschleuniger eine sMDT Prototypenkammer unter dem Einfluss von Protonen-, Neutronen- und Photonenbestrahlung bei hohen Raten getestet, und somit die Bedingungen fuer ein LHC Hochluminositaetsexperiment nachgestellt. Spuraufloesung und Rekonstruktionseffizienz fuer minimalionisierende Myonen werden als Funktion der Bestrahlungsrate praesentiert. Die Geometrie der Myonentrigger im Experiment erlaubt es, zwischen Effizienzverlusten aufgrund von elektronischen Totzeiteffekten und Raumladungseffekten zu unterscheiden. Mittels modifizierter Ausleseelektonik wurde die analoge Pulsform der Detektoren im Hinblick auf eine Abnahme der Gasverstaerkung und potentielle Unregelmaessigkeiten aufgrund der hohen Bestrahlungsraten und -staerken untersucht. Das Ergebnis der Studie zeigt, dass die sMDT Detektortechnologie die hohen Anforderungen an die New Small Wheel Detektoren erfuellt. Bei einer Bestrahlungsrate von 10 kHz/cm$^2$ liegt die mittlere Einzelrohr-Ortsaufl\"osung bei 140 $\mu$m und die Spurrekonstruktionseffizienz bei etwa 72\% pro Rohrlage. Als weitere Technologie fuer die New Small Wheels wurden Micromegas Detektoren vorgeschlagen. Diese mikrostrukturierten planaren Gasdetektoren mit hoher Ortsaufloesung sind konstruktionsbedingt hochratenfest und erlauben zusaetzlich Winkelaufloesung und Spurrekonstruktion in einer einzelnen Detektorlage. 2013 hat sich die ATLAS Kollaboration fuer diese Technologie als Praezisions-Spurdetektoren in den New Small Wheels entschieden. Ein Prototyp Micromegas Detektor wird im Sommer 2014 auf einem der beiden ATLAS Small Wheels installiert als Technologietest und Probedurchlauf der noetigen Aenderungen an ATLAS Hard- und Software. Hierfuer ist ein ATLAS-kompatibler Read Out Driver (ROD) entwickelt worden, der es erlaubt, die Prototypkammer vollstaendig in die ATLAS Datenaufnahme zu integrieren, um somit den Erkenntnissgewinn aus der Installation zu maximieren. Die Hardware dieser Ausleseelektronik basiert auf modernsten FPGAs und wurde im Rahmen der RD51-Kollaboration als Scalable Readout System entworfen. Das Firmwaredesign, seine Funktionalitaet und die Verbindungsglieder zwischen den verschiedenen Komponenten der Auslesekette werden unter Verwendung von APV25 Auslesekarten vorgestellt. Alle anfaenglichen Probleme des Systems wurden im Rahmen dieser Arbeit behoben. Das System wurde erfolgreich in die Auslesekette des LMU Hoehenstrahl Messstandes integriert und somit sowohl mit der Ausleseelektronik der ATLAS Monitored Drift Tubes, als auch einer VME-basierten Datenaufnahme synchronisiert. Innerhalb der ATLAS Datenaufnahmekette wurden \mbox{zwischenzeitlich} weitere erfolgreiche Integrationstests durchgefuehrt. Als Ergebnis ist das Systems bereit, um innerhalb des ATLAS Detektors problemlos eingesetzt zu werden.

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