Hochenergiephysikanalysen zielen darauf ab, das Standardmodell—die gemeinhin akzeptierte Theorie—zu testen. Für überzeugende Schlüsse, sind Analysemethoden nötig, welche einen eindeutigen Vergleich zwischen Daten und Theorie ermöglichen und zuverlässige Abschätzung der Unsicherheiten erlauben. Die Matrixelement-Methode (MEM) ist eine Maximum-Likelihood-Methode, welche speziell auf Signalsuche und Parameterschätzung an Beschleunigern zugeschnitten ist. Die MEM hat sich durch optimale Nutzung vorhandener Information und sauberer statistischer Interpretation der Ergebnisse als vorteilhaft erwiesen. Sie hat jedoch einen großen Nachteil: In der Originalformulierung ist die Berechnung der Likelihood intrinsisch auf die erste störungstheoretische Ordnung in der Kopplung limitiert. Höhere Ordnungskorrekturen verbessern die Genauigkeit theoretischer Vorhersagen und erlauben eindeutige feldtheoretische Interpretation der gewonnen Informationen. In dieser Arbeit wird erstmalig die MEM unter Einbezug der Korrekturen der nächstführenden Ordnung (NLO) der QCD-Kopplung durch Definition von Ereignisgewichten für die Berechnung der Likelihood präsentiert. Diese Gewichte ermöglichen auch die Erzeugung ungewichteter Ereignisse, welche dem in NLO-Genauigkeit berechneten Wirkungsquerschnitt folgen. Der Methode wird anhand von Top-Quark-Ereignissen veranschaulicht. Die Top-Quark-Masse wird aus den erzeugten Ereignissen mithilfe der MEM in NLO-Genauigkeit bestimmt. Die erhaltenen Schätzer stimmen mit den Eingabewerten aus der Ereigniserzeugung überein. Wiederholung der Massenbestimmung aus denselben Ereignissen, ohne NLO-Korrekturen in den Vorhersagen, führt zu verfälschten Schätzern. Diese Verschiebungen werden nicht durch abgeschätzte theoretische Unsicherheiten berücksichtigt, was die Abschätzung der theoretischen Unsicherheiten der Analyse in führender Ordnung unzuverlässig macht. Die Resultate unterstreichen die Wichtigkeit der Berücksichtigung von NLO-Korrekturen in der MEM. / Analyses in high energy physics aim to put the Standard Model—the commonly accepted theory—to test. For convincing conclusions, analysis methods are needed which offer an unambiguous comparison between data and theory while allowing reliable estimates of uncertainties. The Matrix Element Method (MEM) is a Maximum Likelihood method which is especially tailored for signal searches and parameter estimation at colliders. The MEM has proven to be beneficial due to optimal use of the available information and a clean statistical interpretation of the results. But it has a big drawback: In its original formulation, the likelihood calculation is intrinsically limited to the leading perturbative order in the coupling. Higher-order corrections improve the accuracy of theoretical predictions and allow for unambiguous field-theoretical interpretation of the extracted information. In this work, the MEM incorporating corrections of next-to-leading order (NLO) in QCD by defining event weights suited for the likelihood calculation is presented for the first time. These weights also enable the generation of unweighted events following the cross section calculated at NLO accuracy. The method is demonstrated for top-quark events. The top-quark mass is determined with the MEM at NLO accuracy from the generated events. The extracted estimators are in agreement with the input values from the event generation. Repeating the mass determinations from the same events, without NLO corrections in the predictions, results in biased estimators. These shifts may not be accounted for by estimated theoretical uncertainties rendering the estimation of the theoretical uncertainties unreliable in the leading-order analysis. The results emphasise the importance of the inclusion of NLO corrections into the MEM.

Das Top-Quark ist das schwerste bekannte Elementarteilchen. Im Standardmodell (SM) der Elementarteilchenphysik ist die Erzeugung in Paaren durch die starke Wechselwirkung der dominante Beitrag zu seiner Produktion. Top-Quarks können durch die schwache Wechselwirkung ebenfalls einzeln produziert werden. Die Einzelproduktion ist trotz ihres schwierigen experimentellen Nachweises wegen ihrer Komplementarität zur Paarproduktion interessant. So sind einzeln produzierte Top-Quarks stark polarisiert. Diese Polarisation führt wegen des Zerfalls von Top-Quarks vor ihrer Hadronisierung zu experimentell zugänglichen Auswirkungen auf die Zerfallsprodukte. Weiterhin erlaubt die Beteiligung von Bottom-Quarks im Anfangszustand die Untersuchung der zugehörigen Partonverteilungsfunktion. In dieser Arbeit werden für phänomenologische Vorhersagen Wirkungsquerschnitte für die Produktion einzelner Top-Quarks oder Top-Antiquarks in Assoziation mit zwei Jets im SM berechnet. Dabei werden die Korrekturen in der nächstführenden Ordnung der Quantenchromodynamik (QCD) berücksichtigt. Diese Korrekturen bilden den wichtigsten Beitrag jenseits der führenden Ordnung zur Verbesserung der theoretischen Vorhersage. Präzise theoretische Vorhersagen für Wirkungsquerschnitte sind für die Suche nach Physik jenseits des SM mit dem Large Hadron Collider am CERN unerlässlich. Im Unterschied zu den im Jahr 2002 veröffentlichten Korrekturen in der QCD zur Produktion einzelner Top-Quarks wurde ein zusätzliches Teilchen im Endzustand berücksichtigt. Als Folge treten neue partonische Anfangszustände und Beiträge mit Farbaustausch zwischen den Quark-Linien auf. Da Top-Quarks nach kurzer Zeit in ein W-Boson und ein Bottom-Quark zerfallen, muss zugleich eine konsistente Abgrenzung von der Produktion einzelner Top-Quarks in Assoziation mit einem W-Boson und von der Paarproduktion vorgenommen werden. / The top quark is the heaviest known elementary particle. In the standard model (SM) of elementary particle physics it is produced predominantly in pairs by the strong interaction. The weak interaction enables the production of single top-quarks as well. Despite its difficult experimental signature, the production of single top-quarks is interesting as it is complementary to the production of pairs. For instance single top-quarks are highly polarized. As top quarks decay before they hadronize, the polarization affects the decay products of the top quark in an experimentally accessible way. Furthermore, the participation of bottom-quarks in the initial state allows a study of the corresponding parton distribution functions. This thesis makes phenomenological predictions for the SM by calculating cross sections for the production of single top-quarks in association with two jets. Next-to-leading order corrections in quantum chromodynamics (QCD) are taken into account. These corrections are the most important contribution for precise predictions beyond the leading order calculation. Precise theoretical predictions for cross sections are mandatory for the search for new physics at the Large Hadron Collider at CERN. In contrast to the QCD corrections for the production of single top-quarks published in 2002 an additional particle in the final state was taken into account. As a consequence, new partonic initial states and contributions with exchange of color charge between the quark lines occur. As top quarks decay rapidly into a W boson and a bottom quark, a consistent separation from the production of top quark pairs and from the production of single top-quarks in association with a W boson must be ensured.

Das IceCube Neutrinoteleskop hat im Jahr 2013 erstmals einen isotropen, quasi-diffusen astrophysikalischen Neutrinoflusses detektiert. Dieser Fluss kann jedoch bisher keiner astrophysikalischen Quellklasse zugeordnet werden. Um nach kurzlebigen Neutrinoquellen zu suchen, wurde 2008 das optische und Röntgen-Nachfolgebeobachtungsprogramm des IceCube Detektors eingerichtet. Es sucht nach zwei oder mehr Neutrinoereignissen, die von einer Punkquelle stammen könnten und innerhalb von 100s detektiert werden. Ein solches Signal wird unter anderem von langen oder kurzen Gammastrahlungsblitzen (GRBs) erwartet oder von verwandten Objekten wie leuchtschwachen GRBs oder Supernovae mit relativistischen Jets. Die Alarmraten des Nachfolgebeobachtungsprogramms sind jedoch niedrig und bieten bisher keine Hinweise für die Existenz von kurzlebigen Neutrinoquellen. Das Nachfolgebeobachungsprogramm hat bisher nur ein einziges Neutrinotriplet detektiert, das der Auslöser für eine umfassende Beobachtungskampagne war. In den optischen, Röntgen- und Gammastrahlungsbeobachtungen wurde keine wahrscheinliche Neutrinoquelle identifiziert und eine Supernova oder ein heller GRB können ausgeschlossen werden. Das Neutrinotriplet kann entweder eine zufällige Koinzidenz von Untergrundereignissen sein (alle 13.7 Jahre erwartet) oder es kann von einer leuchtschwachen oder besonders schnell verblassenden Quelle stammen. Die niedrige Rate von Neutrinomultipletts stellt außerdem eine obere Schranke auf die Helligkeit von kurzlebigen Neutrinoquellen dar. Seltene Quellen mit lokalen Raten von < 3e-8 – 10e-5 Mpc^-3 Jahr^-1 können nicht den gesammten Fluss erzeugen, ohne die detektierte Anzahl Multipletts zu überschreiten. Der Fluss von GRBs ist dadurch auf 5-30% des astrophysikalischen Flusses beschränkt. Falls 1% aller Kernkollaps-Supernovae einen Jet besitzen, der auf die Erde zeigt, so können sie 40-100% des Flusses erzeugen und ihre durchschnittliche Neutrinohelligkeit ist <3e51erg. / The IceCube neutrino observatory first detected and isotropic, quasi-diffuse astrophysical neutrino flux in 2013. However, this flux can so far not be associated with an astrophysical source class. To search for short-lived neutrino sources, the optical and X-ray follow-up program was established in 2008. It searches for two or more neutrino events that might origin from a point source and are detected within 100s. Such a signal is expected from long or short gamma-ray bursts (GRBs) or from related objects like low-luminosity GRBs or supernovae with choked jets. The alert rates of the follow-up program are however low, such that they do not provide evidence for the existence of short-lived neutrino sources. So far the follow-up program has only detected a one neutrino triplet, which triggered an extensive follow-up campaign. No likely neutrino source was detected in the collected optical, X-ray and gamma-ray observations and the presence of a supernova or a bright GRB can be excluded. The neutrino triplet can either be a chance coincidence of background events (expected every 13.7 years) or is can originate from a faint or quickly fading astrophysical source. The low rate of neutrino multiplets moreover provides an upper limit on the luminosity of short-lived neutrino sources. Rare sources with local rates of < 3e-8 – 10e-5 Mpc^-3 yr^-1 cannot produce the complete fluc without producing too many neutrino multiplets. This limits the contribution of GRBs to 5-30% of the astrophysical flux. If 1% of all core-collapse supernovae have a jet that is pointed at Earth, they can emit up to 40-100% of the flux and their average neutrino luminosity is <3e51erg.

Es wird eine Messung der s-Kanal Einzel Top-Quark Produktion in Proton-Proton Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV vorgestellt. Der verwendete Datensatz wurde mit dem ATLAS Detektor am LHC aufgenommen und entspricht einer integrierten Luminosität von 20.3 inversen Femtobarn. Kollisionsereignisse werden selektiert, sodass der resultierende Anteil der Signalereignisse relativ hoch ist. Selektierte Ereignisse enthalten ein isoliertes Elektron oder Myon, fehlenden Transversalimpuls und zwei Jets, die durch b-Quarks induziert wurden. Alle Objekte haben hohe transversalimpulse. Auch nach dieser Selektion überwiegen Untergrundprozesse, insbesondere die Paarproduktion von Top-Quarks und die Produktion von W-Bosonen begleitet von Jets. Um den Signalprozess weiter von den Untergründen zu trennen, werden mehrere Wahrscheinlichkeitsdichten näherungsweise berechnet. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der Annahme des zugrundeliegenden Streuprozesses. Zusammen ergeben sie eine Funktion der gemessenen Impulse, mit deren Hilfe das Signal weiter von den Untergründen getrennt werden kann. Ein statistisches Modell der entsprechenden Verteilung wird an die Messdaten angepasst. Diese Messung ergibt eine Signifikanz des Signalprozesses von 3.4 Standardabweichungen und einen totalen Wirkungsquerschnitt von 5.3^+1.8_-1.6 Pikobarn. Dies ist die erste signifikante Messung der s-Kanal Einzel Top-Quark Produktion in Proton-Proton Kollisionen. Die Ergebnisse stimmen mit der Vorhersage des Standardmodells überein. / A measurement of s-channel single top-quark production in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8 TeV is presented. The data set has been recorded with the ATLAS detector at the LHC and corresponds to an integrated luminosity of 20.3 inverse femtobarn. Collision events are selected so that a subset of the data is obtained where the signal fraction is relatively high. Selected events contain one isolated electron or muon, missing transverse momentum and 2 jets, both of which are induced by b-quarks. All of these objects have large transverse momenta. The resulting set of events is still dominated by background processes, most notably top-quark pair production and the production of W bosons in association with jets. In order to further separate the signal from the backgrounds, several approximate event likelihoods are computed. They are based on different hypotheses regarding the scattering process at hand. Together they result in a function of the measured momenta which allows for the desired separation of the signal process. A statistical model of the corresponding distribution is used in a fit to the measured data. The fit results in a signal significance of 3.4 standard deviations and a total cross section of 5.3^+1.8_-1.6 picobarn. This is the first evidence for s-channel single top-quark production in proton-proton collisions. The results agree with the standard model prediction.

Das Standardmodell einer zusätzlichen sequentiellen Fermiongeneration (SM4) war 2012 auf Basis eines Fits an elektroschwache Präzisionsobservable und die Higgs-Signalstärken mit einer Signifikanz von 5.3 sigma ausgeschlossen worden. Komplementär dazu wurden in der vorliegenden Arbeit Fits des SM4 an eine Kombination eines typischen Satzes von Flavour-Observablen mit den Ergebnissen des zuvor durchgeführten Elektroschwachen Präzisionsfits durchgeführt. Im SM3-Kontext extrahierte Größen wurden gemäß ihrer Bedeutung im SM4 reinterpretiert und die angepassten theoretischen Ausdrücke angegeben. Die resultierenden Einschränkungen der CKM-Matrix des SM4, ihrer potentiell CP-verletzenden Phasen sowie der Masse des up-type-Quarks der 4. Generation t'' werden angegeben. Zum Vergleich des SM4 mit dem SM3 werden die erreichten chi^2-Werte genutzt. chi^2=15.53 im SM4 und 9.56 im SM3 passen fast vollkommen zu einer gleich guten Beschreibung der Experimente durch beide Modelle, wobei das SM3 aber sechs Freiheitsgrade mehr besitzt. Außerdem wurden die Vorhersagen des SM3 und des SM4 für die Dimyon-Ladungsasymmetrie ASL mit experimentellen Werten verglichen. Die Vorhersage des SM3 ist ca. 2 sigma vom experimentellen Wert entfernt, die des SM4 ca. 3 sigma.\par Die Ergebnisse deuten nicht darauf hin, dass die Signifikanz des 2012 erreichten Ausschlusses des SM4 durch die Hinzunahme von Flavour-Observablen zu den damals verwendeten elektroschwachen Präzisionsobservablen und Higgs-Querschnitten bedeutend verringert würde.\par Es konnte jedoch keine genaue quantitative Aussage über die Auswirkungen der Flavourobservablen auf diese Signifikanz getroffen werden, weil das Programm CKMfitter likelihood-ratio-Berechnung nur durchführen kann, wenn sich eines der untersuchten Modelle durch Fixierung von Parametern aus dem anderen ergibt (nested models), was hier nicht der Fall ist. / The Standard Model extended by an additional sequential generation of Dirac fermions (SM4) was excluded with a significance of 5.3 sigma in 2012. This was achieved in a combined fit of the SM4 to Electroweak Precision Observables and signal strengths of the Higgs boson. This thesis complements this excludion by a fit of the SM4 to a typical set of Flavour physics observables and the results of the previously performed Electroweak Precision fit. Quantities extracted in an SM3 framework are reinterpreted in SM4 terms and the adapted theoretical expressions are given. The resultant constraints on the SM4''s CKM matrix, its potentially CP-violating phases and the mass of the new up-type quark t'' are given. To compare the relative performance of the SM4 and the SM3, this work uses the chi^2 values achieved in the fit. The values of 15.53 for the SM4 and 9.56 for the SM4 are almost perfectly consistent with both models describing the experimental data equally well with the SM3 having six degrees of freedom more. The dimuon charge asymmetry ASL was not used as a fit input because the interpretation of its measurement was subject to debate at the time when the fits were produced, but its prediction in the fit was used as an additional test of the SM4. The SM3''s prediction differs from the experimental values by about 2 sigma, and the SM4''s prediction by about 3 sigma. \par In summary, these results do not suggest that any significant reduction of the 5.3 sigma exclusion could be achieved by combining the Electroweak Precision Observables and Higgs inputs with Flavour physics data. However, the exact effect of the Flavour physics input on the significance of the SM4''s exclusion cannot be given at this point because the CKMfitter software is currently not able to perform a statistically stringent likelihood comparison of non-nested models.

Diese Dissertation ist auch unter folgender DOI auffindbar:http://dx.doi.org/10.20386/HUB-43089 / Die maximal supersymmetrische Yang-Mills-Theorie im vierdimensionalen Minkowski-Raum ist ein außergewöhnliches Modell der mathematischen Physik. Dies gilt vor allem im planaren Limes, in dem die Theorie integrabel zu sein scheint. So sind etwa ihre Streuamplituden auf Baumgraphenniveau Invarianten einer Yangschen Algebra, die die superkonforme Algebra psu(2,2|4) beinhaltet. Diese unendlichdimmensionale Symmetrie ist ein Kennzeichen für Integrabilität. In dieser Dissertation untersuchen wir Verbindungen zwischen solchen Amplituden und integrablen Modellen, um Grundlagen für eine effiziente, auf der Integrabilität basierende Berechnung von Amplituden zu legen. Dazu charakterisieren wir Yangsche Invarianten innerhalb der Quanten-Inverse-Streumethode, die Werkzeuge zur Behandlung integrabler Spinketten bereitstellt. In diesem Rahmen entwickeln wir Methoden zur Konstruktion Yangscher Invarianten. Wir zeigen, dass der algebraische Bethe-Ansatz für die Erzeugung von Yangschen Invarianten für u(2) anwendbar ist. Die zugehörigen Bethe-Gleichungen lassen sich leicht lösen. Unser Zugang erlaubt es zudem diese Invarianten als Zustandssummen von Vertexmodellen zu interpretieren. Außerdem führen wir ein unitäres Graßmannsches Matrixmodell zur Berechnung Yangscher Invarianten mit Oszillatordarstellungen von u(p,q|m) ein. In einem Spezialfall reduziert es sich zu dem Brezin-Gross-Witten-Model. Wir wenden eine auf Bargmann zurückgehende Integraltransformation auf unser Matrixmodell an, welche die Oszillatoren in Spinor-Helizitäts-artige Variablen überführt. Dadurch gelangen wir zu einer Weiterentwicklung der Graßmann-Integralformulierung bestimmter Amplituden. Die maßgeblichen Unterschiede sind, dass wir in der Minkowski-Signatur arbeiten und die Integrationskontur auf die unitäre Gruppenmannigfaltigkeit festgelegt ist. Wir vergleichen durch unser Integral gegebene Yangsche Invarianten mit Amplituden und kürzlich eingeführten Deformationen derselben. / The maximally supersymmetric Yang-Mills theory in four-dimensional Minkowski space is an exceptional model of mathematical physics. Even more so in the planar limit, where the theory is believed to be integrable. In particular, the tree-level scattering amplitudes were shown to be invariant under the Yangian of the superconformal algebra psu(2,2|4). This infinite-dimensional symmetry is a hallmark of integrability. In this dissertation we explore connections between these amplitudes and integrable models. Our aim is to lay foundations for an efficient integrability-based computation of amplitudes. To this end, we characterize Yangian invariants within the quantum inverse scattering method, which is an extensive toolbox for integrable spin chains. Making use of this setup, we develop methods for the construction of Yangian invariants. We show that the algebraic Bethe ansatz can be specialized to yield Yangian invariants for u(2). Our approach also allows to interpret these Yangian invariants as partition functions of vertex models. What is more, we establish a unitary Graßmannian matrix model for the construction of u(p,q|m) Yangian invariants with oscillator representations. In a special case our formula reduces to the Brezin-Gross-Witten model. We apply an integral transformation due to Bargmann to our unitary Graßmannian matrix model, which turns the oscillators into spinor helicity-like variables. Thereby we are led to a refined version of the Graßmannian integral formula for certain amplitudes. The most decisive differences are that we work in Minkowski signature and that the integration contour is fixed to be a unitary group manifold. We compare Yangian invariants defined by our integral to amplitudes and recently introduced deformations thereof.

In dieser Dissertation wird eine Suche nach der Produktion von ''down''-artigen b'' Anti-b'' Quark-Antiquark-Paaren einer sequentiellen vierten Generation von Fermionen präsentiert. Für die Suche wurden Endzustände mit zwei gleich geladenen Leptonen (e oder mu), mindestens zwei Jets (davon ein b-Jet), fehlender transversaler Energie und einer großen Summe der Transversalimpulse aller Elektronen, Muonen und Jets betrachtet. Für den Zerfall dieser b'' Anti-b'' Quark-Antiquark-Paare wurden zwei verschiedene Szenarien untersucht. Im ersten Szenario wird angenommen, dass beide b'' Quarks ausschliesslich in ein t Quark und ein W Boson zerfallen. Für das zweite Szenario werden variable Verzweigungsverhältnisse für die Zerfälle der b'' Quarks nach tW, cW und uW erlaubt. Die Suche wurde mit Daten durchgeführt, die von pp Kollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s) = 8 TeV vom ATLAS Detektor am Large Hadron Collider aufgezeichnet wurden. Der benutzte Datensatz entspricht einer integrierten Luminosität von 14.3 fb^-1. Es wurde kein signifikanter Überschuss an Ereignissen über den erwarteten Ereignissen vom Untergrund beobachtet. Daher wurde im ersten Szenario eine untere Grenze auf die b''-Masse (m_b'') von 0.724 TeV mit einem Konfidenzniveau von 95% bestimmt. Im Falle des zweiten Szenarios mit variablen Verzweigungsverhältnissen wurden Ausschlussregionen mit einem Konfidenzniveau von 95% als Funktion der Masse des b''-Quarks und seiner Verzweigungsverhältnisse bestimmt. Die erhaltenen Grenzen auf m_b'' sind schwächer verglichen mit dem Ergebnis für ein Verzweigungsverhältniss von 100% für b''->tW. / This thesis presents a search for the production of down-type b'' anti-b'' quark-antiquark pairs of a sequential fourth generation of fermions. In this search, final states with two same-sign charged leptons (e or mu), at least two jets (including at least one b-jet), missing transverse energy and a large total sum of the transverse momenta of all electrons, muons and jets were considered. Two different scenarios were assumed for the decays of these $b'' anti-b'' quark pairs. In the first scenario the two b'' quarks were considered to decay exclusively into a t quark and a W boson. For the second scenario, variable branching fractions for the decays of the b'' quarks into tW, cW and uW were allowed. The search was performed using data from pp collisions at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 8 TeV recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The used dataset corresponds to an integrated luminosity of 14.3 fb^-1. No significant excess of events over the background expectation was observed. Hence a lower limit on the b'' mass of 0.724 TeV was set with 95% confidence level in the first scenario. In case of the second scenario with variable branching fractions, exclusion areas with 95% confidence level were derived as a function of the b'' mass and its decay branching fractions. These limits are less stringent compared to the result assuming a branching fraction of 100% for b''->tW.

Die elektrischen Mikrofeldverteilungen (EMDs) und ihre Auswüchse wurden in einkomponentiger (OCP) Elektron-, zweikomponentigen (TCP) Elektron-Positron-, Wasserstoff- und einwertig ionisierten Alkaliplasmen im Rahmen verschiedener Pseudopotentialmodelle (PM) untersucht und mit sowohl Molekulardynamik (MD) und Monte-Carlo Simulationen als auch mit Experimenten vergliechen. Die verwendeten theoretischen Verfahren zur Berechnung von EMDs gehen zurück auf die von C. A. Iglesias entwickelte Kopplungsparameter Integrationstechnik (KPIT) für OCP und die von J. Ortner et al. vorgeschlagene verallgemeinerte KPIT für TCP. EMDs wurden im Rahmen der abgeschirmten Kelbg-, Deutsch-, Hellmann-Gurskii-Krasko(HGK)-PM untersucht, welche quantenmechanische Effekte, Abschirmungseffekte und die Struktur der Ionenrümpfe (HGK) berücksichtigen. Die Abschirmungseffekte wurden auf Grundlage der Bogoljubov-Born-Green-Kirkwood-Yvon- Methode eingeführt. Wir haben das abgeschirmte HGK-Pseudopotential in der Debye-Näherung sowie in einer mäßig gekoppelten Plasma-Näherung verwendet. Wir haben verschiedene Typen vom asymptotischen Verhalten der Verteilungsauswüchse in Abhangigheit von Plasmaparameter, Plasmatypen und Strahler bestimmt. Der Vergleich der experimentell gewonnenen Daten mit sowohl einem synthetischen Li2+-Lyman-Spektrum als auch mit einer synthetischen Li II 548 nm Linie lassen den Schluss zu, daß die EMD, welche auf der Grundlage der Iglesias-Methode für OCP im HGK-PM und der MD erhalten wurde, eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Werten liefert. Die statischen partiellen und Ladung-Ladung-Strukturfaktoren (SSF) wurden für Alkali- und Be2+-Plasmen unter Verwendung der von G. Gregori et al. beschriebenen Methode berechnet. Die dynamischen Strukturfaktoren (DSF) für Alkaliplasmen wurden unter Verwendung der durch V. M. Adamyan et al. entwickelten Methode der Momente berechnet. Bei beiden Methoden wurde das abgeschirmte HGK-Pseudopotential verwendet. / The electric microfield distributions (EMDs) and its tails have been studied for electron one-component plasma (OCP), electron-positron, hydrogen and single-ionized alkali two-component plasmas (TCP) in a frame of different pseudopotential models (PM) and compared with Molecular Dynamics (MD) and Monte-Carlo simulations as well as with experiments. The theoretical methods used for calculation of EMDs are a coupling-parameter integration technique (CPIT) developed by C. A. Iglesias for OCP and the generalized CPIT proposed by J. Ortner et al. for TCP. We studied the EMDs in a frame of the screened Kelbg, Deutsch, Hellmann-Gurskii-Krasko (HGK) PMs which take into account quantum-mechanical, screening effects and the ion shell structure (HGK) due to the Pauli exclusion principle. The screening effects were introduced on a base of Bogoljubov-Born-Green-Kirkwood-Yvon method. We used the screened HGK pseudopotential in the Debye approximation as well as in a moderately coupled plasma approximation. The influence of the plasma coupling parameter on the EMD along with the ion shell structure was investigated. We determined different types of asymptotic behaviour of EMD tails in dependence on the plasma type, parameters and radiator. Comparison of a synthetic Li2+ Lyman spectrum as well as comparison of a synthetic Li II 548 nm line with experimental data allows us to conclude that the EMD, obtained on a base of the CPIT method for OCP within the HGK PM and MD, provides a good agreement with the experiment. We have calculated the partial and charge-charge static structure factors (SSF) for alkali and Be2+ plasmas using the method described by G. Gregori et al.. We have calculated the dynamic structure factors (DSF) for alkali plasmas using the method of moments developed by V. M. Adamyan et al. In both methods the screened HGK pseudopotential has been used.

Angetrieben durch die Akkretion von Materie in ein super massives Schwarzes Loch in ihrem Zentrum, stellen aktive Galaxien die stärksten und beständigsten Strahlungsquellen im Universum dar. Ihre elektromagnetische Emission kann sich bis in den Gammastrahlenbereich ausbreiten. Das Ziel dieser Arbeit ist, diese Mechanismen und die Orte jenseits der hoch energetischen Emission zu charakterisieren. Dafür werden die Observationen von zwei Aktiven Galaxien im Bereich von hunderten von GeV verwendet, welche mit den Cherenkov Teleskopen MAGIC aufgenommen wurden. Die physikalische Interpretation wird durch Beobachtungen mit dem Fermi Gamma-ray Space Teleskop und durch Multiwellenlängendaten unterstützt. Es werden zwei Aktive Galaxien mit Jet untersucht: PKS 1510-089 und NGC 1275. Die MAGIC Teleskope, welche PKS 1510-089 seit 2012 immer wieder beobachten, detektieren eine signifikante Emission über dutzende von Observationsstunden, was auf schwache aber kontinuierliche Gammastrahlung aus dieser Quelle hinweist. NGC 1275 zeigte in der Periode von September 2016 bis Februar 2017 einen großen Ausbruch im Gammerstrahlenbereich: MAGIC zeichnete eine Variabilität in der Größenordnung von wenigen Stunden und die erstmalige Emission von TeV Photonen. Aus beiden untersuchten Quellen ist ersichtlich, dass die Kombination von Daten aus verschiedenen Instrumenten die physische Diskussion entscheidend beeinflusst. Der Übergang zu zugänglichen und interoperablen Daten wird zu einem zwingenden Thema für Gammastrahlenastronomen, und diese Arbeit stellt das technische Bestreben dar, standardisierte hochrangige Daten für Gammastrahleninstrumente zu erzeugen. Ein Beispiel für eine zukünftige Analyse, die einheitliche High-Level-Daten von einem Gammastrahlensatelliten und vier Cherenkov-Teleskopen kombiniert, wird vorgestellt. Der neue Ansatz, der vorgeschlagen wird, führt die Datenanalyse durch und verbreitet die Ergebnisse, wobei nur Open-Source-Ressourcen verwendet werden. / Powered by the accretion of matter to a supermassive black hole, active galactic nuclei constitute the most powerful and persistent sources of radiation in the universe, with emission extending in the gamma-ray domain. The aim of this work is to characterise the mechanisms and sites beyond this highly-energetic radiation employing observations of two galaxies at hundreds of GeV, conducted with the MAGIC imaging Cherenkov telescopes. The physical interpretation is supported with observations by the Fermi Gamma-ray Space Telescope and with multi-wavelength data. Two peculiar jetted galaxies are studied: PKS 1510-089 and NGC 1275. The first source, monitored by MAGIC since 2012, presents a significant emission over tens of observation hours, in what appears to be a low but persistent gamma-ray state. The second source has instead shown, in the period between September 2016 and February 2017, a major outburst in its gamma-ray activity with variability of the order of few hours and emission of TeV photons. The broad band emission of jetted galaxies is commonly modelled with the radiative processes of a population of electrons accelerated in the jet. While PKS 1510-089 conforms to this scenario, modelling the gamma-ray outburst of NGC 1275 requires placing the acceleration and radiation of electrons close to the event horizon of the black hole. From both the sources studied it is evident that the combination of data from different instruments critically drives the physical discussuion. Moving towards accessible and interoperable data becomes a compelling issue for gamma-ray astronomers and this thesis presents the technical endeavour to produce standardised high-level data for gamma-ray instruments. An example of a future analysis combining uniformed high-level data from a gamma-ray satellite and four Cherenkov telescopes is presented. The novel approach proposed performs the data analysis and disseminates the results making use only of open-source assets.

Für verschiedene Richtgrößen, die untersucht werden, um Hinweise auf Neue Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik zu finden, stellt die Gitter-QCD stellt derzeit den einzigen Ab-initio-Zugang für die Berechnung von nichtperturbativen hadronischen Beiträgen dar. Zu diesen Observablen gehören die anomalen magnetischen Momenten der Leptonen und das Laufen der elektroschwachen Kopplungskonstanten. Wir bestimmen den führenden QCD-Beitrag zum anomalen magnetischen Moment des Myons mit Hilfe einer Gitter-QCD-Rechnung auf Ensemblen, die Nf=2+1+1 dynamische Twisted-Mass-Fermionen berücksichtigen. Durch die Betrachtung aktiver up, down, strange and charm Quarks können erstmalig Gitter-QCD-Daten für die Myonanomalie direkt mit phänomenologischen Resultaten verglichen werden, da letztere bei der derzeitigen Genauigkeit sensitiv auf die ersten beiden Quarkgenerationen sind. Unlängst wurde darauf hingewiesen, dass es auch möglich sein könnte Beiträge Neuer Physik durch verbesserte Messungen der anomalen magnetischen Momente des Elektrons und des Tauons nachzuweisen. Aus diesem Grund berechnen wir auch deren führende QCD-Beiträge, was gleichzeitig eine Überprüfung des Wertes für das Myon liefert. Zusätzlich nutzen wir die gewonnenen Daten, um den führenden hadronischen Beitrag zum Laufen der Feinstrukturkonstante zu berechnen. Darüber hinaus zeigen wir, dass sogar für den schwachen Mischungswinkel der führende QCD-Beitrag mit Hilfe dieser Daten berechnet werden kann. Dadurch identifizieren wir eine neue grundlegende Observable für die Suche nach Neuer Physik, deren hadronische Beiträge mit Hilfe der Gitter-QCD beschafft werden können. Mit den Resultaten dieser Arbeit ist es uns gelungen ungeeignete Herangehensweisen der phänomenologisch notwendigen Flavourseparation auszuschließen und somit direkt die derzeit präziseren phänomenologischen Bestimmungen dieser bedeutsamen physikalischen Größe zu unterstützen. / For several benchmark quantities investigated to detect signs for new physics beyond the standard model of elementary particle physics, lattice QCD currently constitutes the only ab initio approach available at small momentum transfers for the computation of non-perturbative hadronic contributions. Among those observables are the lepton anomalous magnetic moments and the running of the electroweak coupling constants. We compute the leading QCD contribution to the muon anomalous magnetic moment by performing lattice QCD calculations on ensembles incorporating Nf=2+1+1 dynamical twisted mass fermions. Considering active up, down, strange, and charm quarks, admits for the first time a direct comparison of the lattice data for the muon anomaly with phenomenological results because both the latter as well as the experimentally obtained values are sensitive to the complete first two generations of quarks at the current level of precision. Recently, it has been noted that improved measurements of the electron and tau anomalous magnetic moments might also provide ways of detecting new physics contributions. Therefore, we also compute their leading QCD contributions, which simultaneously serve as cross-checks of the value obtained for the muon. Additionally, we utilise the obtained data to compute the leading hadronic contribution to the running of the fine structure constant, which enters all perturbative QED calculations. Furthermore, we show that even for the weak mixing angle the leading QCD contribution can be computed from this data. In this way, we identify a new prime observable in the search for new physics whose hadronic contributions can be obtained from lattice QCD. With the results obtained in this thesis, we are able to exclude unsuitable phenomenologically necessary flavour separations and thus directly assist the presently more precise phenomenological determinations of this eminent quantity.