Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem HERA-B-Experiment zur CP-Verletzung bei DESY in Hamburg und beschreibt die Rekonstruktion des für HERA-B wichtigen Zerfalls J/psi->e^+e^- und dem darauf aufbauenden Ausblick auf Lebensdauermessungen von Teilchen mit schweren Quarks. Zunächst wurde zur Frühjahr-1999-Datennahme mit ausgeschaltetem Magneten die relative Ausrichtung zwischen dem Vertexdetektor und dem elektromagnetischen Kalorimeter untersucht. Daraufhin konnten die Vierervektoren Elektronspuren gemessen werden. Die energieabhängige Ortsauflösung des Kalorimeters wurde bestimmt. Die späteren Datennahmen mit eingeschaltetem Magneten im Herbst 1999 erlaubten eine Impulsmessung aller geladenen Teilchen. Die höhere geometrische Akzeptanz des weiter ausgebauten Detektors und der erweiterte Trigger erlaubte eine reguläre Beobachtung des J/psi-Signals. Die Breite des Signals konnte durch die in den Frühjahr-Daten gefundene Ortsauflösung des Kalorimeters erklärt werden. Die rekonstruierten J/psi-Mesonen wurden verwendet, um die Ortsauflösung der Vertizes zu untersuchen. Für Detektorkonfiguration im Herbst 1999 wurde ein Fehler des J/psi-Vertex in z-Richtung von sigma_z=1.29mm gefunden. Die Primärvertizes konnten bei Benutzung der Targetposition mit einer Unsicherheit von sigma_z=57mu m rekonstriert werden. Der HERA-B-J/psi-Trigger wird die vollständige Rekonstruktion von bisher wenig bekannten b-Baryonen ermöglichen. Vor allem interessant sind das Xi_b^- und das Sigma_b^0. Es besteht die Möglichkeit, dass ihre Lebensdauer mit den Daten eines HERA-B-Jahres mit der Genauigkeit von sigma_tau=0.1ps gemessen werden kann. / This thesis has been done at the HERA-B experiment for CP violation at DESY in Hamburg and describes the reconstruction of the for HERA-B important decay J/psi->e^+e^- and gives an outlook on possible lifetime measurements of particles with heavy quarks. In the spring 1999 runs a relative alignment between vertex detector and electromagnetic calorimeter was performed with the HERA-B magnet switched off. The four-vectors of electron tracks could be calculated and the energy-dependent spatial resolution of the calorimeter was measured. The fall 1999 runs with magnet switched on allowed a momentum measurement of charged particles. The increased geometrical acceptance and the extended trigger lead to the regular observation of the J/psi signal. Its width could be described by the spatial resolution of the calorimeter measured in the spring runs. The reconstructed J/psi mesons were used to analyze the vertex resolution. In the 1999 detector setup the J/psi vertex resolution in z was sigma_z=1.29mm. Using the target constraints the primary vertex resolution was sigma_z=57mu m. The HERA-B J/psi trigger will make the exclusive reconstruction of so far not well known b charged baryons possible. Especially the Xi_b^- and the Sigma_b^0 are interesting. One year of HERA-B data taking can permit their lifetime measurement with an accuracy of sigma_tau=0.1ps.

In dieser Arbeit wird die Messung des normalisierten differentiellen Wechselwirkungsquerschnitts von Top Quark Produktionen mit zusätzlichen Jets präsentiert. Es werden Proton-Proton Kollisionsdaten des ATLAS Experiments am Large Hadron Collider bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV mit einer Luminosität von 3.2 fb-1 verwendet. Die Top Quark Ereignissen werden durch ein entgegengesetzt geladenes Elektron-Muon Paar und zwei b-tagged Jets selektiert. Der differentielle Wechselwirkungsquerschnitt wird als Funktion von Observablen, die sensitiv auf zusätzliche Jets sind, gemessen: der Jetmultiplizität, des transversalen Impulses der zusätzlichen Jets, der Summe der transversalen Impulse aller Objekte im Ereignis und räumlichen Korrelationen zwischen den zwei Jets mit dem größten Impulsen. Die gemessenen Daten werden auf Teilchen-Level korrigiert und mit verschiedenen Vorhersagen für detailierte Studien des Monte Carlo QCD Models verglichen. / In this thesis, the measurement of the normalised differential cross-sections of top quark pair production in association with jets using 3.2 fb-1 of proton-proton col- lision data at a centre-of-mass energy of 13 TeV by the ATLAS experiment at the LHC are presented. Jets are selected from top events which are defined by an opposite-charge electron-muon pair and two b-tagged jets in the final state. The cross-sections are measured as functions of several observables are sensitive to ad- ditional jets: jet multiplicities, transverse momentum of additional jets, transverse momentum sum of all objects in the event and spatial correlations of the two high- est momentum additional jets. The data are corrected to obtain particle-level fidu- cial cross-section. The resulting measurements are compared to several predictions allowing detailed studies of Monte Carlo QCD modelling.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Suche nach der Produktion des Standardmodell Higgs-Bosons in Assoziation mit einem Top-Antitop-Quarkpaar ttH). Der verwendete Datensatz basiert auf einer integrierten Luminositat von 36.1 1/fb, aufgenommen mit dem ATLAS Detektor am Large Hadron Collider in den Jahren 2015 und 2016. Die selektierten Ereignisse enthalten entweder ein oder zwei Leptonen vom Zerfall des Top-Antitop-Quarkpaares. Die Sensitivität der Analyse wurde erhöht, indem die Ereignisse in unterschiedliche Regionen unterteilt wurden, basierend auf der Anzahl der Jets sowie der Wahrscheinlichkeit b-Jets zu enthalten. Methoden basierend auf multivariaten Analysetechniken wurden entwickelt, um ttH Signalereignisse vom Untergrund zu separieren, der von der Produktion von Top-Antitop-Quarkpaaren mit zusätzlichen b-Jets dominiert wird. Alle in der Analyse verwendeten Regionen wurden in einem Profile-Likelihood-Fit kombiniert, um die Vorhersagen des Untergrunds einzuschr{\"a}nken und die systematischen Unsicherheiten zu reduzieren. Ein Überschuss an Ereignissen über dem erwarteten Standardmodell-Untergrund wurde mit einer beobachteten (erwarteten) Signifikanz von 1.4 (1.6) Standardabweichungen gemessen. Die Daten schliessen ttH Signalstärken von mehr als 2.0 mit einem Konfidenzniveau von 95% aus. / This thesis presents the search for the Standard Model Higgs boson produced in association with a pair of top-quarks (ttH). The analysis uses a 36.1 1/fb dataset of proton-proton collisions collected with the ATLAS detector, at the Large Hadron Collider during 2015 and 2016. The selected events contain either one or two leptons from the decay of the top-quark pair. In order to improve the sensitivity of the search, events are split in regions according to the number of jets and how likely these events are to contain b-jets. Methods based on multivariate techniques were developed and applied in the signal-enriched regions to discriminate ttH events against background events being dominated by top pair production with additional b-jets. All analysis regions are combined in a statistical model using a profile likelihood fit to constrain the background predictions and reduce the systematic uncertainties. An excess of events over the expected Standard Model background is found with an observed (expected) significance of 1.4 (1.6) standard deviations. A ttH signal strength larger than 2.0 is excluded at the 95% confidence level.

Diese Dissertation beschreibt die Messung des Wirkungquerschnitts für die Produktion von ttbb in Protonkollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von √s = 8 TeV. Der verwendete Datensatz entspricht einer integrierten Luminosität von 20.3/fb. Der Wirkungsquerschnitt wurde aus der Anzahl der Signalereignisse bestimmt, die durch harte Schnitte insbesondere auf genau 4 identifizierten b-jets, selektiert wurden, was zu einer hohen Reinheit des Signals führt. Bei der Messung wurden die präzisesten Kalibrierungen von der Jet-Energieskala und der b-jet Effizienz benutzt. Die Messung wurde in einem Referenzphasenraum durchgeführt, der daraufhin optimiert wurde, die Abhängigkeit von der Modellierung zu minimisieren. Der gemessene Wirkungsquerschnitt beträgt 18.9 ± 3.5 (stat)+5.6 (sys) ± 0.6 (Lumi) fb oder, nachdem der Beitrag von ttH(bb) und ttZ(bb) abgezogen wurde: 17.8 ± 3.5 (stat)+5.9 (sys) ± 0.6 (Lumi) fb. Das Ergebnis wurde mit einer Vielzahl von theoretischen Vorhersagen verglichen, einschließlich NLO-Berechnungen mit Partonschauern und einer Reihe von Modellen die sich in der Beschreibung der Gluon Spaltung unterscheiden. Es wurde gezeigt, dass das exstremste Model den Wirkungsquerschnitt überschätzt und dass die Messung die Vorhersagen bevorzugt, die mit einer niedrigen Renormierungs- und Faktorisierungsskala, berechnet wurden. / This thesis presents the measurement of the ttbb production cross-section, using a dataset of 20.3/fb of pp collisions collected with the ATLAS detector at 8 TeV. The measurement is based on a cut-and-count method, using a sample of events with exactly four b-tagged jets, which is shown to have a high purity in signal events. The measurement exploits the most precise jet energy scale and b-tagging calibrations and is performed in a fiducial phase space that is designed to minimize the model dependence of the measurement. The fiducial cross-section is measured to be 18.9 ± 3.5 (stat)+5.6 (sys) ± 0.6 (Lumi) fb or subtracting the contribution from ttH(bb) and ttZ(bb) final states, 17.8 ± 3.5 (stat)+5.9 (sys) ± 0.6 (Lumi) fb. The result is compared with a multitude of theoretical predictions, including different NLO calculations matched to a parton shower, which constitute the most precise predictions available to date, as well as with a series of models that differ in the description of the gluon splitting to b-quarks. It is shown that the most extreme gluon splitting model overestimates the observed rate of ttbb production and that the measurement favors calculations performed with renormalization/factorization scales which are softer than the scales usually employed in similar calculations.

Das HERA-$B$-Experiment am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg dient der Untersuchung der Physik von Teilchen, die $b$-Quarks enthalten. Der Schwerpunkt des Ex\-pe\-ri\-mentes liegt auf der Messung der CP-Verletzung im System der neutralen $B$-Mesonen. Es wird erwartet, dass die pr\"azise Bestimmung der CP-Asymmetrie im Zerfallskanal $B^0(\bar{B}^0)\to J/\psi K_S^0$ gro{\ss}en Einfluss auf die Weiterentwicklung des Standardmodells der Elementarteilchenphysik und g\"angiger kosmologischer Theorien haben wird. Das HERA-$B$-Experiment nutzt den Protonenstrahl des HERA-Ringes, um in Kollisionen mit einem feststehenden Target paarweise $B$-Hadronen zu erzeugen. Die Wechselwirkungen werden in einem Vorw\"artsspektrometer mit etwa 600.000 Auslesekan\"alen nachgewiesen. Aufgrund der relativ niedrigen Schwerpunktsenergie von 41.6\,GeV sind Ereignisse mit $b$-Quarks im Vergleich zu Wechselwirkungen mit leichteren Quarks um etwa sechs Gr\"o{\ss}enordnungen unterdr\"uckt. Die Selektion von Signalereignissen stellt daher eine besondere Herausforderung dar. Sie wird von einem vierstufigen Datennahme- und Triggerystem \"ubernommen, das die Ereignisrate von 10\,MHz auf etwa 20\,Hz reduziert. Neben speziell entwickelter Elektronik werden im Triggersystem mehrere hundert handels\"ubliche PCs eingesetzt. Die Computer sind in zwei so genannten PC-Farmen mit jeweils mehr als 200 Prozessoren angeordnet, die die Rechenkapazit\"at f\"ur Triggerentscheidungen und die prompte Analyse der Ereignisdaten zur Verf\"ugung stellen. Auf der einen Farm laufen schnelle Triggerprogramme mit einer Rechenzeit von etwa 1--100\,ms pro Ereignis ab. Die andere Farm rekonstruiert die Ereignisse online, bevor die Daten auf Band dauerhaft archiviert werden. Die pro Ereignis aufgewandte Rechenzeit liegt dabei im Bereich einiger Sekunden. Die vorliegende Arbeit behandelt zwei Themenkreise. Einerseits wird die technische Umsetzung der Trigger- und der Rekonstruktionsfarm beschrieben. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf den Software-Systemen, die den Farmen erforderliche Kalibrationsdaten verf\"ugbar machen und die zentrale \"Uberwachung der Ergebnisse der ablaufenden Programme gestatten. Der Hauptteil der Arbeit besch\"aftigt sich mit Algorithmen f\"ur eine dritte Triggerstufe, die zus\"atzlich zu existierenden Programmen auf der Triggerfarm zum Einsatz kommen sollen. Der Zerfall $B^0(\bar{B}^0)\to J/\psi X$ hat eine sehr klare Signatur, wenn das $J/\psi$ in ein $e^+e^-$- oder $\mu^+\mu^-$-Paar zerf\"allt. Im Triggersystem wird nach einem Paar entgegengesetzt geladener Leptonen des gleichen Typs gesucht, deren invariante Masse der des $J/\psi$ entspricht und deren Spuren von einem gemeinsamen Vertex in der N\"ahe des Targets ausgehen. Es wird davon ausgegangen, dass die Ausnutzung aller kinematischen Zwangsbedingungen ausreicht, um diesen Zerfallskanal klar von Untergrundereignissen zu trennen. Die dritte Triggerstufe soll dagegen auf Signalprozesse mit weniger kinematischen Beschr\"ankungen angewandt werden. Solche Ereignisse entstehen zum Beispiel dann, wenn zwei in der Proton-Target-Kollision erzeugte $B$-Mesonen semileptonisch zerfallen. Das Triggersystem selektiert lediglich die beiden Leptonen, die aber hier nicht von einem gemeinsamen Vertex kommen. Die dritte Triggerstufe soll f\"ur derartige Zerfallstopologien innerhalb von 100\,ms pro Ereignis weitere Kriterien zur Unterscheidung von Signal- und Untergrundprozessen aus den Daten extrahieren. In der Arbeit wird anhand von Monte-Carlo-Studien untersucht, inwieweit die Daten des Silizium-Vertexdetektors des Experimentes zur Entscheidungsfindung einer dritten Triggerstufe beitragen k\"onnen. Dabei wird die Rekonstruktion von Spuren aus der Zerfallskaskade der $B$-Hadronen zus\"atzlich zu den von der vorhergehenden Triggerstufe selektierten Lep\-ton\-en an\-ge\-strebt. Mithilfe einer schnellen Mustererkennung f\"ur den Vertexdetektor wird gezeigt, dass das Auffinden aller Spuren und die Anwendung von Triggeralgorithmen innerhalb des vorgegebenen Zeitfensters von 100\,ms m\"oglich sind. Die Bestimmung der Spurparameter nahe der Targetregion macht von der Methode des Kalman-Filters Gebrauch, um der Vielfachstreuung im Detektormaterial Rechnung zu tragen. Dabei tritt das Problem auf, dass weder der Impuls der gefundenen Spuren bekannt ist, noch die Materialverteilung im Vertexdetektor aus Zeitgr\"unden in aller Strenge ber\"ucksichtigt werden kann. Durch geeignete N\"aherungen gelingt es, eine ausreichende Genauigkeit f\"ur die Spurparameter zu erreichen. Die aufgefundenen Teilchen bilden den Ausgangspunkt f\"ur Triggeralgorithmen. Hierbei wird untersucht, welche Methoden am besten geeignet sind, um Signal- und Unter\-grund\-ereignisse voneinander zu trennen. Es erweist sich, dass das Auffinden von Spuren mit gro{\ss}em Impaktparameter aussichtsreichere Ans\"atze als eine Suche nach Sekund\"arvertices bietet. / The HERA-$B$ experiment at Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) Hamburg aims at investigating the physics of particles containing $b$ quarks. The experiment focusses on measuring CP violation in the system of neutral $B$ mesons. It is expected that the precise determination of the CP asymmetry in the channel $B^0(\bar{B}^0)\to J/\psi K_S^0$ will have an impact on the further development of the Standard Model of Elementary Particle Physics and cosmological theories. The HERA-$B$ experiment uses the proton beam of the HERA storage ring in fixed-target mode. $B$ hadrons are produced in pairs when protons from the beam halo interact with target nuclei. The interactions are recorded by a forward-spectrometer with roughly 600.000 readout channels. At the HERA-$B$ centre-of-mass energy of 42.6\,GeV, the $b\bar{b}$ cross section is only a tiny fraction of the total inelastic cross section. Only one in about 10$^6$ events contains $b$ quarks, which turns the selection of signal events into a particular challenge. The selection is accomplished by a four-stage data acquisition and trigger system reducing the event rate from 10\,MHz to about 20\,Hz. Besides custom-made electronics, several hundreds of PCs are used in the trigger system. The computers are arranged in two so-called PC farms with more than 200 processors each. The PC farms provide the computing capacity for trigger decisions and the prompt analysis of event data. One farm executes fast trigger programs with a computing time of 1--100\,ms per event. The other farm performs online reconstruction of the events before data are archived on tape. The computing time per event is in the range of several seconds. This thesis covers two topics. In the beginning, the technical implementation of the trigger and the reconstruction farm are described. In doing so, emphasis is put on the software systems which make calibration data available to the farms and which provide a centralised view on the results of the executing processes. The principal part of this thesis deals with algorithms for a Third Level Trigger. This trigger is to come into operation on the trigger farm together with existing programs. Processes of the type $B^0(\bar{B}^0)\to J/\psi X$ have a very clean signature when the $J/\psi$ decays to a $e^+e^-$ or $\mu^+\mu^-$ pair. The trigger system attempts to identify two unlike-sign leptons of the same flavour whose invariant mass matches the $J/\psi$. In later steps, the tracks are required to originate from a common vertex close to the target. It is assumed that these kinematic constraints are sufficient to pick out events of this type among the copious background processes. In contrast, the Third Level Trigger is to be applied to signal processes with fewer kinematic constraints. Such events occur for example when two $B$ mesons, which were created in a proton-target collision, decay semileptonically. The trigger system selects merely the two leptons which do not originate from a common vertex in this case. The Third Level Trigger has 100\,ms at its disposal to extract further criteria from the data which can serve to distinguish between signal and background events. This thesis investigates with the aid of Monte-Carlo simulations how the data of the experiment's silicon vertex detector can contribute to the decisions of a Third Level Trigger. The trigger aims at reconstructing tracks from the decay cascade of $B$ mesons in addition to the leptons selected by the preceding trigger levels. A fast pattern recognition for the vertex detector demonstrates that the reconstruction of all tracks and the application of trigger algorithms are possible within the given time slot of 100\,ms. The determination of track parameters in the target region exploits the Kalman-filter method to account for the multiple scattering of particles in the detector material. The application of this method is, however, made difficult by two facts. First, the momentum of the reconstructed tracks is not known. And, second, the material distribution in the detector cannot be taken into consideration in detail due to timing limitations. Adequate approximations for the momentum and the material traversed by a particle help to accomplish a sufficient accuracy of the track parameters. The reconstructed tracks constitute the starting point of several trigger algorithms, whose suitability to select signal events is investigated. Our studies indicate that the reconstruction of tracks with large impact parameters is a more promising approach than a search for secondary vertices.

Das Ziel dieser Dissertation ist die Suche nach dem astrophysikalischen Neutrinofluss in einem IceCube-Datensatz bestehend aus 335 Tagen. IceCube ist ein 1 km$^{3}$ gro{\ss}er Neutrinodetektor, welcher sich am S{\"u}dpol befindet und aus 86 in das Eis eingefrorenen Trossen besteht, von denen jede mit 60 Digitalen Optischen Photomultipliern (DOM) best{\"u}ckt ist. Der Detektor befand sich noch in der Konstruktionsphase, daher bestand er nur aus 59 Trossen (IC59), als die Daten f{\"u}r diese Analyse gewonnen wurden.\newline Die hier behandelte Analysemethode ist empfindlich f{\"u}r alle drei Neutrinoarten. Wenn Neutrinos mit den im Eis vorhandenen Atomkernen wechselwirken, werden geladene Teilchen erzeugt, welche Tscherenkow-Strahlung aussenden, die dann von den DOM registriert und zur Rekonstruktion der Neutrinowechselwirkung verwendet wird. Diese Neutrinoereignisse m{\"u}ssen aus einem gro{\ss}en Untergrund von atmosph{\"a}rischen Myonen, der $10^{8}$ mal mehr Myonen als Neutrinos auf Trigger-Level enth{\"a}lt, gefiltert werden. Atmosph{\"a}rische und astrophysikalische Neutrinos k{\"o}nnen nur auf statistischem Wege auf der Grundlage ihrer rekonstruierten Energien unterschieden werden.\newline Um eine verl{\"a}ssliche Vorhersage f{\"u}r atmosph{\"a}rische Myonen in der finalen Filterstufe zu erreichen, wurde eine gro{\ss}e Anzahl von Myonen simuliert. Die vorgestellte Analyse war die erste, welche eine livetime von {\"u}ber einem Jahr f{\"u}r die Simulation von atmosph{\"a}rischen Myonen erreicht hat (f{\"u}r $E \geq 10$ TeV).\newline Eine erste Analyse z{\"a}hlte die Ereignisse mit einer Energie von $E>38$ TeV und fand 8 Ereignisse mit Energien zwischen 39 TeV und 67 TeV bei einer Untergrunderwartung von $3.6\pm 0.3$ Ereignissen. Dieser {\"U}berschuss wurde mit Hilfe eines Likelihood-Fit mit einer Energieschwelle von 10 TeV genauer untersucht. Es war kein astrophysikalischer Neutrinofluss n{\"o}tig, um den {\"U}berschuss zu beschreiben. Stattdessen wurde der {\"U}berschuss von einer h{\"o}heren Normierung des atmosph{\"a}rischen Neutrinoflusses absorbiert. Wenn keine weiteren Einschr{\"a}nkungen von unabh{\"a}ngigen Messungen oder Modellen des atmosph{\"a}rischen Neutrinoflusses verwendet werden, kann eine 90\% obere Grenze f{\"u}r den astrophysikalischen Neutrinofluss aller Neutrinoarten von $E^{2}\Phi_{astro,\;ul}=1.7\cdot 10^{-8} {\rm GeV}{\rm s}^{-1}{\rm sr}^{-1}{\rm cm}^{-2}$ im Energiebereich von $20\;{\rm TeV} \leq E \leq 3.0\;{\rm PeV}$ berechnet werden. Diese obere Grenze auf den Neutrinofluss liegt deutlich unter denen vorheriger IceCube-Analysen und ist kleiner als der sp{\"a}ter entdeckte astrophysikalische Neutrinofluss. Der atmosph{\"a}rischen Neutrinofluss, der im gleichen Fit bestimmt wurde, liegt deutlich {\"u}ber Modellvorhersagen basierend auf vor kurzem gewonnenen Messdaten. Wenn der atmosph{\"a}rische Neutrinofluss auf das Intervall dieser Modellvorhersagen beschr{\"a}nkt wird, ergibt sich eine obere Grenze f{\"u}r den astrophysikalischen Neutrinofluss aller Neutrinoarten von $E^{2}\Phi_{astro,\;ul}=3.2\cdot 10^{-8} {\rm GeV}{\rm s}^{-1}{\rm sr}^{-1}{\rm cm}^{-2}$ im Energiebereich von $20\;{\rm TeV} \leq E \leq 3.0\;{\rm PeV}$, was vertr{\"a}glich mit dem mittlerweile von IceCube gemessenen Neutrinofluss ist, welcher mit einer Analyse mit zwei Jahre Messzeit des fertiggestellten Ice-Cube-Detektors bestimmt wurde. / This thesis presents a search for the diffuse astrophysical neutrino flux in 335 days of IceCube data. IceCube is a 1 km$^{3}$ neutrino detector located at the South Pole, consisting of 86 strings, each equipped with 60 Digital Optical Photomultipliers (DOMs), frozen in the ice. The detector was still in construction when the data used in this analysis was taken, therefore only 59 strings were available (IC59).\newline The analysis presented here is sensitive to all three neutrino flavors. Neutrinos interacting with nuclei in the ice produce charged particles which emit Cherenkov light. This light is recorded by the DOMs and used for the event reconstruction. These neutrino events must be extracted from the huge background of atmospheric muons, which is $10^{8}$ times more common than neutrino events at trigger level. Finally, atmospheric and astrophysical neutrinos need to be distinguished statistically, based on the reconstructed neutrino energies.\newline To obtain a robust prediction of atmospheric muon events at the final level of the event selection, a huge simulation sample of atmospheric muons has been produced. This analysis was the first to achieve a livetime of more than one year of simulated atmospheric muon events with $E \geq 10$ TeV.\newline A first analysis counting the number of events with an energy $E>38$ TeV found 8 events with energies between 39 TeV and 67 TeV for a background prediction of $3.6\pm 0.3$ events. This excess was further investigated with a maximum likelihood fit with an energy threshold of 10 TeV. No astrophysical neutrino flux was required to describe the excess in the data. Instead, it was absorbed by a higher normalization of the atmospheric neutrino flux. If no constraints from independent measurements or models of the atmospheric neutrino flux are applied, a 90\% upper limit on the all-flavor astrophysical neutrino flux of $E^{2}\Phi_{astro,\;ul}=1.7\cdot 10^{-8} {\rm GeV}{\rm s}^{-1}{\rm sr}^{-1}{\rm cm}^{-2}$ in the energy range of $20\;{\rm TeV} \leq E \leq 3.0\;{\rm PeV}$ can be derived. This upper limit is considerably lower than earlier IceCube limits, and lower than the astrophysical neutrino flux discovered later. However, the atmospheric flux that is obtained in the same fit is considerably higher than model predictions based on recent measurement. If the atmospheric flux is constrained to the range of these model predictions, the upper limit is $E^{2}\Phi_{astro,\;ul} = 3.2\cdot 10^{-8}\; {\rm GeV}{\rm s}^{-1}{\rm sr}^{-1}{\rm cm}^{-2}$, which is compatible with the astrophysical neutrino flux finally detected by IceCube using two years of data from the completed IceCube detector.

IceTop ist ein Luftschauerdetektor am geographischen Südpol und die Oberflächenkomponente des Neutrinoteleskops IceCube. Seit der Fertigstellung im Dezember 2010 besteht IceTop aus 81 Detektorstationen auf einer Fläche von einem Quadratkilometer. Die vorliegende Dissertation umfasst eine Analyse von Daten, die im Jahr 2007 mit den 26 damals installierten Stationen genommen wurden. Dazu wurden zunächst Schauerposition und -richtung und ein Maß für die Größe des Schauers aus den Signalen rekonstruiert. Der Zusammenhang zwischen Primärenergie und Schauergröße wurde aus Monte-Carlo-Simulationen bestimmt. Dabei wurde eine Annahme über die chemische Zusammensetzung der kosmischen Strahlen gemacht. Damit wurde das Spektrum der Schauergrößen entfaltet um das Energiespektrum zu bestimmen. Dies wurde getrennt für verschiedene Zenitwinkelbereiche durchgeführt. Das Resultat der Entfaltung hängt von der angenommenen Massenkomposition ab. Die Ergebnisse, der Entfaltung in verschiedenen Zenitwinkelintervallen, müssen übereinstimmen, wenn man Isotropie der komischen Strahlung voraussetzt. Es wurde bereits gezeigt, dass dies ausgenutzt werden kann, um die möglichen Annahmen über die Zusammensetzung einzugrenzen. Eine gute Übereinstimmung von Spektren aus verschiedenen Zenitwinkelbereichen wird unter der Annahme von reinen Protonen als Primärteilchen gefunden, sowie für eine Mischung aus Protonen und Eisen mit einem hohen Protonanteil bei niedrigen Energien und einer Mehrheit von Eisen bei hohen Energien. Unter diesen Annahmen ergibt sich die Position des Knies im Spektrum zu 3,97 bis 4,20PeV. Der spektrale Index unterhalb des Knies ist etwa -2,7 und oberhalb des Knies variiert er zwischen -3,08 und -3,15. Reines Eisen auf der anderen Seite kann mit sehr großer Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden. Unabhängig von der Annahme über die Zusammensetzung wird oberhalb von etwa 30PeV ein Abflachen des Spektrums mit einem Index von etwa -3,0 beobachtet. / IceTop is an air shower array at the geographic South Pole. It is the surface component of the IceCube neutrino telescope. Since its completion in December 2010, IceTop consists of 81 detector stations covering an area of 1km². In this dissertation, an analysis of data taken in 2007 with 26 IceTop stations operational at that time is presented. Air showers were reconstructed in order to determine the location of the shower core, their direction and the shower size. The relation between primary energy and shower size was determined from Monte Carlo simulations. An assumption was made about the chemical composition of cosmic rays. The information obtained in these simulations were then used to unfold the spectrum of measured shower sizes in order to obtain the all-particle cosmic ray energy spectrum. This was done independently for particles from three different zenith angle intervals. The result of the unfolding depends on the assumed primary composition. Due to the isotropy of cosmic rays, results obtained in different zenith angle intervals must agree. It has already been shown that this requirement can be used to constrain the range of possible assumptions on the chemical composition of primary particles. Good agreement of spectra from different zenith angle ranges has been found under the assumption of pure proton primaries, as well as for a mixture of protons and iron with a relatively large proton contribution at low energies and proton dominance at high energies. Under these assumptions the knee of the cosmic ray energy spectrum has been observed at energies between 3.97 and 4.20PeV. The spectral index below the knee is about -2.7 and varies between -3.08 and -3.15 above the knee. Pure iron as primary particles can be excluded at a high confidence level below 25PeV. Independent of the primary composition assumption a flattening of the energy spectrum with an index of about -3.0 has been observed above 30PeV.

Diese Doktorarbeit behandelt die Messung des Wirkungsquerschnittes der Paarbildung von Top-Quarks mit zusätzlichen B-Jets (Teilchenschauer aus der Fragmentierung von B-Quarks) in Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von √s =13 TeV am Large Hadron Collider. Der Datensatz wurde 2015/16 mit dem ATLAS-Detektor aufgezeichnet und entspricht einer integrierten Luminosität von 36,1/fb. Die Wirkungsquerschnitte werden auf Teilchenebene in einem fiduziellen Phasenraum gemessen, der dicht an der Detektorakzeptanz gewählt wurde. Die fiduziellen inklusiven Wirkungsquerschnitte für tt-Endzustände mit mindestens einem oder mindestens zwei zusätzlichen B-Jet(s) nach Abzug der Beiträge von ttH(bb) und ttZ(bb) werden als 177 ± 5(stat) ± 24(syst) fb bzw. 25 ± 3(stat) ± 7(syst) fb bestimmt. Die Messungen werden mit dem neusten Stand von unterschiedlichen theoretischen Vorhersagen verglichen. Im Allgemeinen sind die gemessenen inklusiven, fiduziellen Wirkungsquerschnitte größer als die ttbb-Vorhersagen von verschiedenen NLO-Berechnungen des mit Partonschauern abgeglichenen tt-Matrixelements, bleiben aber im Rahmen der Messunsicherheit. Die Unsicherheiten der experimentellen Messung sind kleiner als die Unsicherheiten der Vorhersagen. Die differenzielle Messung von tt+B-Jets wird mit dieser Analyse zum ersten Mal innerhalb der ATLAS-Kollaboration durchgeführt. Die normalisierten differenziellen Wirkungsquerschnitte werden als Funktion der Multiplizität der B-Jets, kinematischen Ereignisobservablen und Observablen der Objekte in den Endzuständen dargestellt. Die beobachteten differenziellen Verteilungen werden mit einer Vielzahl an theoretischen Vorhersagen verglichen und eine gute Übereinstimmung mit den Daten für die meisten festgestellt. / This thesis presents the cross-section measurement of top quark pair (tt) production in association with additional b-jets (tt+b-jets) in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy, √s = 13 TeV at the Large Hadron Collider. The analysis is performed in the emu decay channel of tt using a dataset comprising an integrated luminosity of 36.1/fb collected by the ATLAS detector in the years 2015 and 2016. The cross-sections are measured at particle level in a fiducial phase space which is chosen close to the detector acceptance. The fiducial inclusive cross-section for tt final states with at least one and at least two additional b-jet(s) is measured to be 177 ± 5(stat) ± 24(syst) fb and 25 ± 3(stat) ± 7(syst) fb, respectively, after subtracting the contributions from ttH(bb) and ttZ(bb). Comparison of the measured cross-section to various state-of-the-art theoretical QCD predictions are made. The measured inclusive fiducial cross-sections generally exceed the ttbb predictions from various NLO matrix element calculations matched to a parton shower but are compatible within the uncertainties. The experimental uncertainties in the measurement are smaller than the uncertainties in the predictions. The differential measurement of tt+b-jets is carried out for the first time by the ATLAS collaboration in this analysis. The normalised differential cross-sections as a function of b-jet multiplicity, kinematic observables of the events and properties of b-jet pairs are shown. The observed differential distributions are compared with multitude of theoretical predictions and a good agreement with data is found for most of them.

Halbleiter-Nanosäulen (auch -Nanodrähte) werden als Baustein für Leuchtdioden (LEDs) untersucht. Herkömmliche LEDs aus Galliumnitrid (GaN) bestehen aus mehreren Kristallschichten auf einkristallinen Substraten. Ihr Leistungsvermögen wird durch Gitterfehlpassung und dadurch hervorgerufene Verspannung, piezoelektrische Felder und Kristallfehler beschränkt. GaN-Nanosäulen können ohne Kristallfehler auf Fremdsubstraten gezüchtet werden. Verspannung wird in Nanosäulen elastisch an der Oberfläche abgebaut, dadurch werden Kristallfehler und piezoelektrische Felder reduziert. In dieser Arbeit wurden GaN-Nanosäulen durch Molukularstrahlepitaxie katalysatorfrei gezüchtet. Eine Machbarkeitsstudie über das Kristallwachstum von Halbleiter-Nanosäulen auf Metall zeigt, dass GaN-Nanosäulen in hoher Kristallqualität ohne einkristallines Substrat epitaktisch auf Titanschichten gezüchtet werden können. Für das Wachstum axialer (In,Ga)N/GaN Heterostrukturen in Nanosäulen wurden quantitative Modelle entwickelt. Die erfolgreiche Herstellung von Nanosäulen-LEDs auf Silizium-Wafern zeigt, dass dadurch eine Kontrolle der Emissionswellenlänge erreicht wird. Die Gitterverspannung der Heterostrukturen in Nanosäulen ist ungleichmäßig aufgrund des Spannungsabbaus an den Seitenwänden. Das katalysatorfreie Zuchtverfahren führt zu weiteren statistischen Schwankungen der Nanosäulendurchmesser und der Abschnittlängen. Die entstandene Zusammensetzung und Verspannung des (In,Ga)N-Mischkristalls wird durch Röntgenbeugung und resonant angeregte Ramanspektroskopie ermittelt. Infolge der Ungleichmäßigkeiten erfordert die Auswertung genaue Simulationsrechnungen. Eine einfache Näherung der mittleren Verspannung einzelner Abschnitte kann aus den genauen Rechnungen abgeleitet werden. Gezielte Verspannungseinstellung erfolgt durch die Wahl der Abschnittlängen. Die Wirksamkeit dieses allgemeingültigen Verfahrens wird durch die Bestimmung der Verspannung von (In,Ga)N-Abschnitten in GaN-Nanosäulen gezeigt. / Semiconductor nanowires are investigated as a building block for light-emitting diodes (LEDs). Conventional gallium nitride (GaN) LEDs contain several crystal films grown on single crystal substrates, and their performance is limited by strain-induced piezoelectric fields and defects arising from lattice mismatch. GaN nanowires can be obtained free of defects on foreign substrates. In nanowire heterostructures, the strain arising from lattice mismatch can relax elastically at the free surface. Crystal defects and piezoelectric fields can thus be reduced. In this thesis, GaN nanowires are synthesized in the self-induced way by molecular beam epitaxy. A proof-of-concept study for the growth of semiconductor nanowires on metal shows that GaN nanowires grow epitaxially on titanium films. GaN of high crystal quality is obtained without a single crystal substrate. Quantitative models for the growth of axial (In,Ga)N/GaN nanowire heterostructures are developed. The successful fabrication of nanowire LED devices on silicon wafers proves that these models provide control over the emission wavelength. In the (In,Ga)N/GaN nanowire heterostructures, strain is non-uniform due to elastic relaxation at the sidewalls. Additionally, the self-induced growth leads to statistical fluctuations in the diameter and length of the GaN nanowires, and in the thickness of the axial (In,Ga)N segments. The (In,Ga)N crystal composition and lattice strain are analyzed by x-ray diffraction and resonant Raman spectroscopy. Due to the non-uniformity in strain, detailed numerical simulations are required to interpret these measurements. A simple approximation for the average strain in the nanowire segments is derived from the detailed numerical calculation. Strain engineering is possible by defining the nanowire segment lengths. Simulations of resonant Raman spectra deliver the experimental strain of (In,Ga)N segments in GaN nanowires, and give a proof of this universal concept.