Diese Arbeit beschäftigt sich mit der theoretischen Beschreibung eines Hybridsystems eines ultrakalten neutralen Atoms und eines einzelnen Ions. Diese Hybrid-Atom-Ion-Systeme verbinden die wichtigsten Vorteile von ultrakalten neutralen Atomen und Ionen. Neutrale Atome sind leicht skalierbar vor allem und können in großen Stückzahlen vorbereitet werden, wahrend gefangene Ionen über längere Zeiten gelagert werden können und leicht kontrollierbar sind. Einige der vorgeschlagenen Aussichten der hybriden Quantensysteme umfassen die sympathische Kühlung von eingefangenen Ionen, die ultrakalte Chemie, das Quantum Informationsverarbeitung, und Atom-Ionen-Quantensimulatoren. Diese Anwendungen erfordern eine äußerst präzise Steuerung und damit eine sehr genaue theoretische Modellierung. Eine neue Methode, die eine vollständige sechsdimensionale Behandlung von zwei Partikeln ermöglicht In räumlich getrennten dreidimensionalen Fangpotentialen wurde entwickelt. Indem man die raumliche Verschiebung zwischen den Einfangpotentialen erlaubt, ist es möglich, die gesteuerte Bewegung eines einzelnen Ions durch ein optisches Gitterpotential zu beschreiben, das mit neutralen Atomen gefüllt ist. Die Wechselwirkung zwischen dem neutralen Atom und dem geladenen Ion wird durch eine realistische Born-Oppenheimer Potentialkurve beschrieben. Eines der hier diskutierten Hybridsysteme ist 7Li2+ Isotop, das mit der neu entwickelten Methode untersucht wird, dabei wurden vermiedene Kreuzungen im Energiespektrum zwischen molekularen Zuständen und den Schwingungszuständen des Fallenpotentials als Funktion des Abstandes zwischen den beide Fallen beobachtet. Diese vermiedenen Kreuzungen bestatigen die bereits vorhergesagten falleninduzierten Resonanzen, die mithilfe der Quantendefekttheorie bestimmt wurden. Ebenfalls werden die erst kürzlich entdeckten inelastischen falleninduzierten Resonanzen in ultrakalten Atomen auch in den Atom-Ion Systemen beobachtet. / This thesis deals with the theoretical description of a hybrid system of an ultracold neutral atom and a single ion. These hybrid atom-ion systems combine the key advantages of ultracold neutral atoms and ions. In particular, neutral atoms are easily scalable and can be prepared in large numbers, while trapped ions can be stored for much longer times and are easy to control. Some of the proposed prospects of the hybrid quantum systems include sympathetic cooling of trapped ions, ultracold chemistry, quantum information processing, and atom-ion quantum simulators. These applications require extremely precise control and thus very accurate theoretical modeling. A new method that allows for a full 6-dimensional treatment of two particles in spatially separated 3-dimensional trapping potentials was developed. By allowing for the spatial displacement between the trapping potentials, it is possible to describe the controlled motion of a single ion through an optical-lattice potential filled with neutral atoms. The interaction between the neutral atom and the ion is modeled using realistic Born-Oppenheimer potential curves from ab initio quantum chemistry calculations. An application of the developed approach to the hybrid atom-ion system reveals avoided crossings between the molecular bound states and the unbound trap states as a function of the separation between the two traps. These avoided crossings correspond to trap-induced resonances. This finding confirms the trap-induced resonances predicted earlier based on quantum-defect-theory calculations. Also, the recently found inelastic confinement-induced resonances in ultracold neutral atoms are demonstrated to be present in atom-ion systems. These resonances arise due to the coupling between the center-of-mass and relative motions. The inelastic confinement-induced resonances could be used in coherent molecular ion formation and in the determination of atom-ion scattering properties like the scattering lengths.

Die ultrakalte Atom- und Molekülephysik, zu welcher man zum Beispiel bei der Bose-Einstein-Kondensation von verdünnten Gasen Zugang hat, wurde untersucht. In solchen Systemen dominieren Zwei-Körper-Stöße und ihre detaillierte Untersuchung ist eines der zentralen Themen dieser Arbeit. Diese wurden durchgeführt unter Berücksichtigung von elementaren chemischen Reaktionen, Photoassoziation und magnetischen Feshbach-Resonanzen. Weiterhin wurden Untersuchungen von Atomen in optischen Gittern durchgeführt. Die Viel-Teilchen-Systeme wurden nicht nur mit dem üblichen mean-field Ansatz behandelt, sondern auch darüber hinausgehend, um die voll korrelierte Bewegung zu simulieren. / The ultracold atomic and molecular physics as it is accessible, e.g., in Bose-Einstein condensates of dilute gases was investigated. In such systems two-body collisions are dominant and their detailed study is one of the central topics of this work. They were done considering elementary chemical reactions as photoassociation, and magnetic Feshbach resonances. Additionally, studies of atoms in optical lattice sites were carried out. The many-body systems were not only considered within the usually adopted mean-field approach but also beyond that in order to simulate the fully correlated motion.

Diese Dissertation beschreibt die Suche nach Resonanzen in der Erzeugung von Top-Quark-Antiquark-Paaren in Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV. Die ausgewerteten Daten entsprechen einer integrierten Luminosität von 20.3 fb-1 und wurden mit dem ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider aufgezeichnet. Die Analyse basiert auf Ereignissen mit genau einem geladenen Lepton, fehlendem Transversalimpuls und Teilchenjets im Endzustand. Mithilfe eines künstlichen neuronalen Netzes wird bei gleicher Signaleffizienz eine präzisere Identifikation von hochenergetischen, hadronisch zerfallenden Top-Quarks erzielt als mit bisher verwendeten Verfahren. Darauf aufbauend wird eine Ereignisselektion für die Erkennung von s-Kanal-Resonanzen mit Spin-1 optimiert. Eine verbesserte Abschätzung des erwarteten Untergrunds wird eingeführt, die den Einfluss der systematischen Unsicherheiten verringert. Die untersuchten Massenspektren der rekonstruierten Top-Quark-Paare weisen keine signifikante Abweichung von den Vorhersagen des Standardmodells auf. Im Vergleich zu schnittbasierten Suchstrategien lassen sich für Massen über 2 TeV etwa 30% bessere bayessche obere Ausschlussgrenzen auf den Wirkungsquerschnitt einer schmalen Resonanz eines leptophobischen Z'-Bosons in einem Technicolour-Modell sowie einer breiten Kaluza-Klein-Anregung des Gluons in einem Randall-Sundrum-Modell erzielen. Ausgehend von den beobachteten Ausschlussgrenzen auf den Wirkungsquerschnitt werden eine Z'-Resonanz bis zu einer Masse von 2.5 TeV und ein Randall-Sundrum Kaluza-Klein-Gluon bis zu einer Masse von 2.9 TeV ausgeschlossen. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber bisherigen Suchen in vergleichbaren Datensätzen dar. / A search for new heavy particles that decay into top quark-antiquark pairs is presented using an integrated luminosity of 20.3 fb-1 of proton-proton collision data recorded at a centre-of-mass energy of 8 TeV with the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider. The analysis considers events with exactly one charged lepton, missing transverse momentum and jets in the final state. An artificial neural network is utilized to identify hadronically decaying top quarks with high Lorentz boost more precisely than established methods at the same signal efficiency. Based on this, a novel method optimized for the detection of s-channel resonances with spin 1 is created. An enhanced estimation of the background expectations is introduced, which reduces the impact of the systematic uncertainties on the analysis. No significant deviation from the background predicted by the Standard Model of particle physics is observed in the invariant mass spectrum of the top-quark pair candidates. Bayesian upper cross-section limits on a narrow resonance from a leptophobic Z' boson in the framework of a technicolour model and a broad Kaluza-Klein excitation of the gluon in a Randall-Sundrum model are both found to be about 30% better at resonance masses of at least 2 TeV relative to a cut-based search strategy. Based on the observed cross-section limits, a topcolour-assisted technicolour Z' boson up to a mass of 2.5 TeV and a Randall-Sundrum Kaluza-Klein gluon up to a mass of 2.9 TeV are excluded. These are the most stringent exclusion limits on the resonance mass as compared to other searches based on similar data sets.

Diese Dissertation widmet sich der theoretischen Beschreibung ultrakalter Atome in einem optischen Einschluss. Das Hauptaugenmerk liegt hierbei auf inelastischen Resonanzen, die durch die Kopplung von Schwerpunkts- und Relativbewegung durch Anharmonizitäten im externen Potenzial Zustande kommen, der Entwicklung einer Methode zur theoretischen Beschreibung von ultrakalten Wenigteilchensystemen in einem vielseitigen Einschlusspotenzial und der Quantensimulation von Attosekundenphysik mit ultrakalten Atomen. / This thesis aims for a theoretical description of ultracold trapped atoms. The main focus are resonance phenomena due to the coupling of center-of-mass and relative motion, the development of a theoretical approach to treat ultracold few-body systems in versatile trap potentials, and the quantum simulation of attosecond physics with ultracold atoms.

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Recently, 3D printing has been increasingly used to create physical models of the vocal tract with geometries obtained from magnetic resonance imaging. These printed models allow measuring the vocal tract transfer function, which is not reliably possible in vivo for the vocal tract of living humans. The transfer functions enable the detailed examination of the acoustic effects of specific articulatory strategies in speaking and singing, and the validation of acoustic plane-wave models for realistic vocal tract geometries in articulatory speech synthesis. To measure the acoustic transfer function of 3D-printed models, two techniques have been described: (1) excitation of the models with a broadband sound source at the glottis and measurement of the sound pressure radiated from the lips, and (2) excitation of the models with an external source in front of the lips and measurement of the sound pressure inside the models at the glottal end. The former method is more frequently used and more intuitive due to its similarity to speech production. However, the latter method avoids the intricate problem of constructing a suitable broadband glottal source and is therefore more effective. It has been shown to yield a transfer function similar, but not exactly equal to the volume velocity transfer function between the glottis and the lips, which is usually used to characterize vocal tract acoustics. Here, we revisit this method and show both, theoretically and experimentally, how it can be extended to yield the precise volume velocity transfer function of the vocal tract.

Recently, 3D printing has been increasingly used to create physical models of the vocal tract with geometries obtained from magnetic resonance imaging. These printed models allow measuring the vocal tract transfer function, which is not reliably possible in vivo for the vocal tract of living humans. The transfer functions enable the detailed examination of the acoustic effects of specific articulatory strategies in speaking and singing, and the validation of acoustic plane-wave models for realistic vocal tract geometries in articulatory speech synthesis. To measure the acoustic transfer function of 3D-printed models, two techniques have been described: (1) excitation of the models with a broadband sound source at the glottis and measurement of the sound pressure radiated from the lips, and (2) excitation of the models with an external source in front of the lips and measurement of the sound pressure inside the models at the glottal end. The former method is more frequently used and more intuitive due to its similarity to speech production. However, the latter method avoids the intricate problem of constructing a suitable broadband glottal source and is therefore more effective. It has been shown to yield a transfer function similar, but not exactly equal to the volume velocity transfer function between the glottis and the lips, which is usually used to characterize vocal tract acoustics. Here, we revisit this method and show both, theoretically and experimentally, how it can be extended to yield the precise volume velocity transfer function of the vocal tract.