Diese Arbeit beschreibt die Suche nach relativistischen magnetischen Monopolen mit dem AMANDA Detektor. Die Methoden der Simulation und der Untergrundseparation werden erläutert. Keine Spuren mit der Signatur eines magnetischen Monopols wurden gefunden. Das sich ergebende Flusslimit von 0.61x10^-16 1/(cm^2 sr s) für Monopole, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, liegt um einen Faktor 3-4 besser als die Ergebnisse vergleichbarer Untergrundexperimente und einen Faktor 16 unterhalb der Grenze, die aus der beobachteten Stabilität der galaktischen Magnetfelder liegt. / This thesis describes the search for relativistic magnetic monopoles with the AMANDA detector. The methods of their simulation and their separation from the background are given. No tracks with the signature of a magnetic monopoles are found, resulting in an upper limit on the flux of 0.61x10^-16 1/(cm^2 sr s) for monopoles with velocities close to the speed of light. This is better by a factor of 3-4 compared to results from other underground detectors and a factor of 16 below the limit derived from the observed stability of the galactic magnetic fields.

In dieser Arbeit wird eine systematische Methode gegeben um die Amplituden in (skalarer) Quantenelektrodynamik und nicht-Abelsche Eichtheorien in Schwinger-parametrische Form zu schreiben. Dies wird erreicht in dem der Zähler der Feynmanregeln im Impulsraum in einem Differentialoperator umgewandelt wird. Dieser Differentialoperator wirkt dann auf den parametrichen Integranden der skalaren Theorie. Für die QED ist das am einfachsten, weil die Leibnizregel hier nicht nötig ist. Im Fall der sQED und den nicht-Abelsche Eichtheorien stehen die Beiträge der Leibnizregel in Verbindung mit 4-valente Vertices. Eine andere Eigenschaft dieser Methode ist, dass mit dem hier benutzten Renormierungsschema die Subtraktionen für 1-scale Graphen signifikante Vereinfachungen verursachen. Weiterhin wurden die Ward-Identitäte für die genannten drei Theorien studiert. / In this thesis a systematic method is given for writing the amplitudes in (scalar) quantum electrodynamics and non-Abelian gauge theories in Schwinger parametric form. This is done by turning the numerator of the Feynman rules in momentum space into a differential operator. It acts then on the parametric integrand of the scalar theory. For QED it is the most straightforward, because the Leibniz rule is not involved here. In the case of sQED and non-Abelian gauge theories, the contributions from the Leibniz rule are satisfyingly related to 4-valent vertices. Another feature of this method is that in the used renormalization scheme, the subtractions for 1-scale graphs cause significant simplifications. Furthermore, the Ward identities for mentioned three theories are studied.

im Postscript-Format

Das Standardmodell der Teilchenphysik hat sich bis heute, mit Ausnahme der allgemeinen Relativitätstheorie, als erfolgreichste Theorie zur Beschreibung der Natur erwiesen. Störungstheoretische Rechnungen für bestimmte Mengen in Quantenchromodynamik (QCD) haben bisher unerreicht präzise Vorraussagen ermöglicht, die experimentell nachgewiesen wurden. Trotz dieser Erfolge gibt es Teile des Standardmodells und Energieskalen bei denen die Störungstheorie versagt und man nach Alternativen suchen muss. Vieles können wir hierbei verstehen, indem wir eine ähnliche Theorie untersuchen, die sogenannte planare N=4 Super Yang-Millstheorie in vier Dimensionen (N=4 SYM). Es existieren viele Indizien dafür, dass die Theorie exakte Lösungen zulässt. Dies lässt sich zurückführen auf die Integrabilität der Theorie, eine unendlich dimensionale Symmetriealgebra, die die Theorie stark einschränkt. Neben besagter Integrabilität besitzt diese Theorie auch andere spezielle Eigenschaften. So ist sie des am besten verstandenen Beispiels der Eich-/Gravitations Dualität durch die AdS/CFT Korrespondenz. Ausserdem sind die Streuamplituden von Gluonen auf Baumgraphenniveau in N=4 SYM die selben wie in Quantenchromodynamik. Diese Streuamplituden besitzen eine elegante Struktur und stellen sich als deutlich simpler heraus, als die dazugehörigen Feynmangraphen vermuten lassen. Tatsächlich umgehen viele der zur Berechnung von Streuamplituden entwickelten Masseschalenmethoden die Feynmangraphen, indem sie vorrübergehend manifeste Unitarität und Lokalität aufgeben und dadurch die Rechnungen stark vereinfachen. Alle diese Entwicklungen suggerieren, dass der konventionelle Formalismus der Theorie mit Hilfe der Wirkung im Minkowskiraum nicht der aufschlussreichste oder effizienteste Weg ist, die Theorie zu untersuchen. Diese Arbeit untersucht der Hypothese, ob dass stattdessen Twistorvariablen besser geeignet sind, die Theorie zu beschreiben. Der Twistorformalismus wurde zuerst von Roger Penrose eingeführt. Auf dem klassischen Level ist die holomorphe Chern-Simonstheorie im Twistorraum äquivalent zur klassischen selbst-dualen Yang-Mills Lösung in der Raumzeit. Die volle Twistorwirkung, welche eine Störung um diesen klassisch integrablen Sektor ist und durch eine Eichbedingung auf die N=4 SYM Wirkung reduziert werden kann, produziert unter einer anderen Eichbedingung alle sogenannten maximalhelizitätsverletzenden (MHV) Amplituden auf Baumgraphenniveau. Durch die Einführung eines Twistorpropagators konnten auch NkMHV Amplituden effizient beschrieben werden. In dieser Arbeit erweitern wir den Twistorformalismus um auch Größen, die sich nicht auf den Masseschalen befinden, beschreiben zu können. Wir untersuchen alle lokalen eichinvarianten zusammengesetzten Operatoren im Twistorraum und zeigen, dass sie alle Baumgraphenniveau-Formfaktoren des sogenannten MHV-Typs erzeugen. Wir erweitern diese Methode zu NMHV und öher NkMHW Level in Anlehnung an die Amplituden. Schliess lich knüpfen wir an die Integrabilität an, indem wir den ein-Schleifen Dilatationsoperator in dem skalaren Sektor der Theorie im Twistorraum berechnen. / The Standard Model of particle physics has proven to be, with the exception of general relativity, the most accurate description of nature to this day. Perturbative calculations for certain quantities in Quantum Chromo Dynamics (QCD) have led to the highest precision predictions that have been experimentally verified. However, for certain sectors and energy regimes, perturbation theory breaks down and one must look for alternative methods. Much can be learned from studying a close cousin of the standard model, called planar N = 4 super Yang-Mills theory in four dimensions (N = 4 SYM), for which a lot of evidence exists that it admits exact solutions. This exact solvability is due to its quantum integrability, a hidden infinite symmetry algebra that greatly constrains the theory, which has led to a lot of progress in solving the spectral problem. Integrability aside, this non-Abelian quantum field theory is special in yet other ways. For example, it is the most well understood example of a gauge/gravity duality via the AdS/CFT correspondence. Furthermore, at tree level the scattering amplitudes in its gluon sector coincide with those of Quantum Chromo Dynamics. These scattering amplitudes exhibit a very elegant structure and are much simpler than the corresponding Feynman diagram calculation would suggest. Indeed, many on-shell methods that have been developed for computing these scattering amplitudes circumvent the tedious Feynman calculation, by giving up manifest unitarity and locality at intermediate stages of the calculation, greatly simplifying the work. All these developments suggest that the conventional way in which the theory is presented, i.e. in terms of the well- known action on Minkowski space, might not be the most revealing or in any case not the most efficient way. This thesis investigates whether instead twistor variables provide a more suitable description. The twistor formalism was first introduced by Roger Penrose. At the classical level, a holomorphic Chern-Simons theory on twistor space is equivalent to classically integrable self-dual Yang-Mills solutions in space-time. A quantum perturbation around this classically integrable sector reduces to the conventional N = 4 SYM action by imposing a partial gauge condition. This action generates all so-called maximally helicity violating (MHV) amplitudes at tree level directly, when a different gauge was chosen. By including a twistor propagator into the formalism, also higher degree NkMHV amplitudes can be described efficiently. In this thesis we extend this twistor formalism to encompass (partially) off-shell quantities. We describe all gauge-invariant local composite operators in twistor space and show that they immediately generate all tree-level form factors of the MHV type. We use the formalism to compute form factors at NMHV and higher NkMHV level in parallel to how this was done for amplitudes. Finally, we move on to integrability by computing the one-loop dilatation operator in the scalar sector of the theory in twistor space.

Eine zusammenfassende Übersicht über die Formulierung der chiralen Störungstheorie (ChPT) für die Gitter Quantenchromodynamik (QCD) ist gegeben. Wir beginnen mit kurzen Zusammenfassungen der chiralen Störungstheorie für die Kontinuum-QCD sowie Symanziks effektiver Theorie für die Gitter-QCD. Anschließend wird die Formulierung der ChPT für die Gitter-QCD behandelt. Nach einem weiteren Kapitel über partial quenching und Theorien mit gemischten Wirkungen werden konkrete Anwendungen diskutiert: Wilson ChPT, staggered ChPT sowie Wilson ChPT mit einem chiral verdrehten Massenterm. Die folgenden Kapitel behandeln das Epsilonregime mit Wilsonfermionen sowie ausgewählte Resultate für ChPT mit gemischten Wirkungen. Den Abschluß bildet die Formulierung der chiralen Störungstheorie für schwere Vektormesonen mit Wilsonfermionen. / The formulation of chiral perturbation theory (ChPT) for lattice Quantum Chromodynamics (QCD) is reviewed. We start with brief summaries of ChPT for continuum QCD as well as the Symanzik effective theory for lattice QCD. We then review the formulation of ChPT for lattice QCD. After an additional chapter on partial quenching and mixed action theories various concrete applications are discussed: Wilson ChPT, staggered ChPT and Wilson ChPT with a twisted mass term. The remaining chapters deal with the epsilon regime with Wilson fermions and selected results in mixed action ChPT. Finally, the formulation of heavy vector meson ChPT with Wilson fermions is discussed.

Diese Arbeit behandelt Experimente zur Messung transienter Elektronendichte-Verteilungen mit der Femtosekunden-Röntgenbeugung. Es werden verschiedene Methoden der Röntgenbeugung beleuchtet und deren Charakteristika, speziell im Hinblick auf die Verwendung von ultrakurzen Röntgenimpulsen, erläutert. Die Rotationsmethode wird in der stationären Röntgenbeugung sehr häufig angewendet. In dieser Arbeit wird ein Demonstrationsexperiment vorgestellt, welches die Verwendung ultrakurzer Röntgenimpulse mit dieser Methode kombiniert. Zum ersten mal wurden transiente Reflektivitäten von mehreren Röntgenreflexen mit der Rotationsmethode auf der Femtosekunden-Zeitskala bestimmt. Das Experiment verwendet Bismut-Kristalle als Prototyp-Material. Bismut wurde mit der Femtosekunden-Röntgenbeugung häufig untersucht, indem einzelne Röntgen-Reflexe nacheinander gemessen wurden. Die Messergebnisse dieser Arbeit werden mit den Literaturdaten verglichen. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Pulverbeugungs-Experiment vorgestellt, mit dem die Änderung der Elektronendichteverteilung auf ultrakurzen Zeitskalen bestimmt wird. Untersucht wird ein Übergangsmetall-Komplex nach Photoanregung des Metall-Zu-Liganden-Ladungstransfer-Übergangs. Neben den erwarteten Beobachtungen, der Änderung der Bindungslänge und die Verschiebung von Elektronenladung zwischen Metall und Ligand, zeigen die Anionen eine starke Beteiligung am Ladungstransfer. DesWeiteren konnte die Änderung der Elektronendichte nach Photoanregung als überwiegend kooperativ klassifiziert werden. Demnach ruft die direkte Anregung eines Metall-Komplexes die Verschiebung von Elektronenladung einer Vielzahl benachbarter Einheiten hervor. Die Messergebnisse zeigen, dass mehr als 30 Übergangsmetall-Komplexe und 60 Anionen an dem kollektiven Ladungstransfer beteiligt sind. Dieser gemeinsame Elektronentransfer ist auf die starke Coulomb-Wechselwirkungen zwischen den dicht gepackten Ionen-Einheiten zurückzuführen. / This thesis concerns measurements of transient charge density maps by femtosecond x-ray diffraction. Different x-ray diffraction methods will be considered, particularly with regard to their application in femtosecond x-ray diffraction. The rotation method is commonly used in stationary x-ray diffraction. In the work in hand an x-ray diffraction experiment is demonstrated, which combines the method with ultrafast x-ray pulses. This experiment is the first implementation which makes use of the rotation method to map transient intensities of a multitude of Bragg reflections. As a prototype material Bismuth is used, which previously was studied frequently by femtosecond x-ray diffraction by measuring Bragg reflections successively. The experimental results of the present work are compared with the literature data. In the second part a powder-diffraction experiment will be presented, which is used to study the dynamics of the electron-density distribution on ultrafast time scales. The experiment investigates a transition metal complex after photoexcitation of the metal to ligand charge transfer state. Besides expected results, i. e. the change of the bond length between the metal and the ligand and the transfer of electronic charge from the metal to the ligand, a strong contribution of the anion to the charge transfer was found. Furthermore, the charge transfer has predominantly a cooperative character. That is, the excitation of a single complex causes an alteration of the charge density of several neighboring units. The results show that more than 30 transition-metal complexes and 60 anions contribute to the charge transfer. This collective response is a consequence of the strong coulomb interactions of the densely packed ions.

Ein fundamentaler Baustein des Standardmodels, des heute am weitesten akzeptierten Models der Elementarteilchenphysik, ist die Selbstkopplung der elektroschwachen Eichbosonen gamma, Z und W. Waehrend andere Vorhersagen des Standardmodels mit hoher Praezision getestet wurden, ist ueber die Staerke der Selbstkopplung der Bosonen wenig bekannt. Erste indirekte Hinweise ueber solche Kopplungen wurden aus praezisen Messungen der Fermionpaarproduktion auf dem Z-Pol gewonnen. Diese Messungen sind sensitiv auf Strahlungskorrekturen. In dieser Analyse werden zum ersten Mal alle verfuegbaren elektroschwachen Praezisionsdaten, die unter anderen bei LEP 1, am SLAC und am TEVATRON gewonnen wurden, benutzt, um in einer globalen Anpassung die Kopplungsstaerken der elektroschwachen Eichbosonen zu ermitteln. Praezise direkte Messungen der Kopplungsstaerke wurden durch die Erhoehung der Schwerpunktsenergie am LEP-Beschleuniger im Jahre 1996 moeglich, die die Paarproduktion von W-Bosonen, e+e- -> W+W-, erlaubte. Zusaetzlich zu diesem Kanal wurde auch noch die Kopplungsabhaengigkeit des Wirkungsquerschnitts der einfach-resonanten W-Produktion, e+e- -> W e nu, und der Photonproduktion, e+e- -> nu nu gamma, benutzt, um die Selbstkopplung der Bosonen zu bestimmen. Zur Analyse wurden Daten, die einer Gesamtluminositaet von 77 pb^-1 entsprechen und bei Schwerpunktsenergien von 161, 172 und 183 GeV in den Jahren 1996 und 1997 mit dem L3 Detektor aufgezeichnet wurden, benutzt. Die Vorhersagen des Standardmodels sind in guter Uebereinstimmung mit allen Messungen. Insbesondere mit der Messung von g_1^Z konnte zum ersten Mal die Existenz des ZWW Vertex experimentell nachgewiesen werden. Zusaetzlich fordert das Standardmodel die Erhaltung der C- und P-Paritaet am ZWW Vertex. Diese Vorhersage wurde durch die Messung getestet und es wurde gute Uebereinstimmung mit der Standardmodelvorhersage gefunden. Die Messung der Kopplungsstaerken in drei unterschiedlichen Kanaelen entspricht der Messung in unterschiedliche Regionen von Impulsuebertraegen. Die Messungen zeigen keine Abhaengigkeit, so dass sowohl das magnetische Dipolmoment als auch das elektrische Quadrupolmoment des W-Bosons aus den Kopplungen hervorgehen. Diese statischen Eigenschaften des W-Bosons geben Informationen ueber dessen Groesse und geometrische Struktur. So folgt aus der Messung das der Radius der W-Bosons kleiner als 10^-18 m ist. Zusaetzlich zu diesen Informationen ueber das W-Boson, konnte der Parameterbereich einer Erweiterung der Standardmodels durch ein sequentielles Z'-Boson eingeschraenkt werden. Ein Model von Klein das die Vereinigung von Kraeften und Materie beschreibt wurde mit 10 Standardabweichungen ausgeschlossen. Zusammenfassung als PostScript-Datei / The couplings between the bosons of the electroweak interaction, gamma, Z and W, is one of the fundamental building blocks of the Standard Model, which was not yet tested with high precision. Indirect hints for the existence of boson self-coupling have been obtained by analysing Z pole data with respect to radiative corrections. This analysis uses for the first time all available electroweak precision data obtained at LEP 1, SLC, TEVATRON and at low energy experiments. The coupling strength between the electroweak gauge bosons is obtained by a global fit to all these data. A precise direct measurement of triple gauge boson couplings became possible in 1996 at LEP 2, where W bosons could be produced in pairs, e+e- -> W+W-. In addition single-resonant W production, e+e- -> W e nu, and single photon production, e+e- -> nu nu gamma, are evaluated with respect to boson self-couplings. In total a luminosity of 77 pb^-1 was collected with the L3 detector at 161, 172 and 183 GeV centre-of-mass energy in the years 1996 and 1997. The Standard Model expectations show good agreement with this measurement. The measurement is the first proof of the existence of a ZWW vertex. The LEP 2 data were further used to limit violation of parity and C-parity at the ZWW vertex. The results of the measurement for the three different channels, corresponding to three different regions of momentum transfer showed no dependence. Thus the magnetic dipole moment and electric quadrupole moment are derived. These two static properties of the W give information on the size and the geometrical form of the W, such that the W radius could be limited to 10^-18 m. In addition the coupling constants were used to limit the phase space of the extension of the Standard Model with a sequential Z' boson in terms of mixing angle and Z' mass. The unified matter theory by Klein is ruled out with more than ten standard deviations. abstract in PostScript

Strahlungskorrekturen zur Hadronproduktion bei niedrigen Energien, wie man sie an den e+e- -Beschleunigern DAFNE und VEPP-2M misst, werden untersucht. Ziel dieser Arbeit ist es, die von QED--Korrekturen befreiten hadronischen Wirkungsquerschnitte aus den hadronischen Daten mit einer Praezision auf Promille-Niveau zu extrahieren. Hadronische Praezisionsdaten werden benoetigt, um den theoretischen Fehler zur laufenden Feinstrukturkonstanten alpha(s) und zum anomalen magnetischen Moment des Myons a(mu) zu senken und sie stellen daher einen Schluessel zur moeglichen Entdeckung ``neuer Physik'' dar. Insbesondere die Paarproduktion geladener Pionen e+e- -> pi+ pi- unterhalb einer Energie von 1 GeV ist von grosser Wichtigkeit. Zu diesem Prozess werden die vollstaendigen O(alpha)-QED-Korrekturen zum Anfangszustand, Endzustand sowie die Interferenzkorrekturen berechnet. Analytische Formeln zu den virtuellen und reellen photonischen Korrekturen werden angegeben. Der totale Wirkungsquerschnitt sigma, die Pion-Winkelverteilung dsigma/dcos(theta) und die Invariantemasseverteilung des Pionpaars dsigma/ds' werden fuer den Fall realistischer kinematischer Schnitte untersucht. Es wird gezeigt, dass zusaetzlich zu den vollstaendigen O(alpha)-Korrekturen zusaetzlich die photonischen Anfangszustandskorrekturen der Ordnung O(alpha^2) und fuehrende Photonbeitraege der Ordnung O(alpha^3) sowie Beitraege zur e+ e- -Paarabstrahlung vom Anfangszustand beruecksichtigt werden muessen wenn mindestens eine Genauigkeit auf Prozent-Niveau verlangt wird. Fuer die Datenanalyse wird der Schwerpunkt auf eine inklusive Behandlung aller Photonen gelegt. Die Messung sowohl des totalen Wirkungsquerschnitts als auch der pi+ pi- Invariantemasseverteilung betreffend wird der theoretische Fehler dieser Behandlung der Strahlungskorrekturen mit 2 Promille abgeschaetzt. Ausserdem wird die Modellunsicherheit als Folge der Pion-Substruktur diskutiert. Um den Formfaktor mit der gewuenschten Praezision aus den experimentellen Daten extrahieren zu koennen, wurde ein auf diese Fragestellung zugeschnittenes Fortran-Programm geschrieben, welches die Beruecksichtigung realistischer kinematischer Schnitte erlaubt. Insgesamt erfuellt die Genauigkeit der theoretischen Vorhersagen die Erfordernisse der Niedrigenergie- e+ e- -Experimente wie diejenigen bei DAFNE oder VEPP-2M. / Radiative corrections to low energy hadron production as measured at the e+ e- colliders DAFNE and VEPP-2M are investigated. The goal of this work is to provide the theoretical condition for extracting hadronic cross sections undressed from QED corrections from the measured data with a precision of per mill level. High precision hadronic data are required to reduce the theoretical error of the running fine structure constant alpha(s) and the muon anomalous magnetic moment a(mu) and therefore represent a key to a possible discovery of ``new physics''. Especially the channel of charged pion pair production e+e- -> pi+ pi- below 1 GeV appears to be of great importance. To this process the complete O(alpha) QED initial state, final state and initial-final state interference corrections are calculated. Analytic formulae are given for the virtual and for the real photon corrections. The total cross section sigma, the pion angular distribution dsigma/dcos(theta) and the pi+ pi- invariant mass distribution dsigma/ds' are investigated in the regime of experimentally realistic kinematical cuts. It is shown that in addition to the full O(alpha) corrections also the O(alpha^2) and leading log O(alpha^3) photonic corrections as well as the contributions from IS e+ e- pair production have to be taken into account if at least per cent accuracy is required. For the data analysis I focus on an inclusive treatment of all photons. The theoretical error concerning this treatment of radiative corrections is then estimated to be 2 per mill for both the measurement of the total cross section and the pi+ pi- invariant mass distribution. In addition the model uncertainty due to the pion substructure is discussed. To be able to extract the pion form factor from the experimental data with the desired accuracy a dedicated Fortran program was written which allows to take into account experimentally realistic kinematical cuts. Altogether the precision of the theoretical prediction matches the requirements of low energy e+ e- experiments like the ones at DAFNE and VEPP-2M.

Der erste Teil gibt eine kurze Einführung in die Prinzipien und neueren Entwicklungen der String Theorie. Im zweiten Teil leiten wir systematisch die fünf- und vierdimensionalen Wirkungen der heterotischen M-theorie unter Einbeziehung von Fünfbranen her. Zuerst wird die Theorie von Horava und Witten an N einzelne Fünfbranen gekoppelt und auf eine dreidimensionale Calabi-Yau Mannigfaltigkeit kompaktifiziert, wobei beliebig viele Moduli der Kähler Klasse und der komplexen Struktur zugelassen werden. Das führt zu einer fünfdimensionalen geeichten N=1 Supergravitation auf dem Orbifold S^1/Z_2, gekoppelt an vierdimensionale N=1 supersymmetrische Theorien auf N Dreibranen sowie den zwei Grenzflächen, welche an den Orbifoldfixpunkten fixiert sind. Einige Eigenschaften dieser Wirkung werden betrachtet, insbesondere die quaternionische Struktur des von den Hypermultipletskalaren parametrisierten Moduliraums und die Eichung einer Isometrie dieses Raumes. Danach wird eine BPS-Vakuumlösung bestehend aus parallelen Branen konstruiert und die zugehörige vierdimensionale effektive Wirkung hergeleitet. Dazu werden das Kählerpotential aller skalaren Modulifelder sowie die kinetischen Funktionen für die Eichfelder explizit angegeben. Ausserdem werden die vierdimensionalen Superfelder durch die zugehöhrigen fünfdimensionalen Komponentenfelder ausgedrückt. Im nächsten Teil wird die vierdimensionale Wirkung der vorangegangenen Arbeit in einer vereinfachten Form angewandt, wobei nur die geometrisch notwendigen Felder betrachtet werden, und das sind die Metrik, das Dilaton und der T-modulus. Eine einparametrige Schar von vierdimensionalen zeitabhängigen Lösungen wird gefunden und in den fünfdimensionalen Zusammenhang gestellt. Die entsprechenden approximativen fünfdimensionalen Lösungen sind eine Entwicklung zu linearer Ordnung im Kopplungsparameter epsilon, welcher Loopkorrekturen zur vierdimensionalen Theorie angibt. Diese Korrekturen sind durch Anregungen gewisser Felder in der fünften Dimension gegeben und können somit zeitabhängig sein. Es zeigt sich, dass gerade jene zwei Lösungen mit zeitunabhängigen Loopkorrekturen den bekannten exakten fünfdimensionalen separierbaren Lösungen entsprechen. Am Ende wird noch disskutiert was sich durch Einbeziehung einer beweglichen Fünfbrane ändert. Im letzten Teil werden Flopübergänge in der M-theory auf dreidimensionalen Calabi-Yau Mannigfaltigkeiten studiert, inspesondere deren Einfluss auf kosmologische Modelle der fünfdimensionalen N=1 Supergravitation. Das ist eine weitere Anwendung der Wirkung aus dem zweiten Teil dieser Arbeit, nun jedoch im etwas einfacheren Fall der puren M-theorie ohne Grenzflächen oder Fünfbranen, dafür unter Berücksichtigung spezieller Membranenzustände. Insbesondere wird die Wirkung für jene Membranenzustände hergeleitet, welche einem zusätzlichen Hypermultiplet entsprechen, das beim Flopübergang masselos wird. Das Hypermultiplet hat ein Potential mit quadratischen und kubischen Termen, welche von den Kählermoduli abhängen. Die Konstruktion expliziter zeitabhängiger Lösungen zeigt, dass eine Flopübergang dynamisch realisiert werden kann solange das zusätzliche Hypermultiplet nicht mit einbezogen wird. Anregungen dieses Hypermultiplets ändern die Situation und im allgemeinen findet der Flopübergang nicht mehr vollständig statt, statt dessen wird das System in der Übergangsregion stabilisiert. Somit können solche Regionen um Flopübergange im Kähler Moduliraum als dynamisch bevorzugt betrachtet werden. Die Verallgemeinerung dieses Szenarios auf heterotische M-theorie wird kurz disskutiert. / First a short introduction to principles and some recent developments in string theory is given. In a second part the effective action for five- as well as four-dimensional heterotic M-theory in the presence of five-branes is systematically derived from Horava-Witten theory coupled to N separate M5-brane world-volume theories. The five-dimensional theory is obtained by compactification on a Calabi-Yau three-fold, where we allow for an arbitrary number of Kähler and complex structure moduli. This leads to a five-dimensional N=1 gauged supergravity theory on the orbifold S^1/Z_2, coupled to four-dimensional N=1 theories residing on the two orbifold fixed planes and N additional three-branes. We analyze some properties of this action, including the quaternionic structure of the hypermultiplet sector and its relation to the gauged isometry. Further, the multi-domain-wall vacuum solution is given, and the associated four-dimensional effective theory is derived. In particular the Kähler potential and the gauge kinetic functions are determined along with the explicit relations between four-dimensional superfields and five-dimensional component fields. Next, a truncated form of the previously obtained four-dimensional action and its relation to the five-dimensional domain-wall vacuum state are used to study cosmological rolling-radii solutions. The four-dimensional action is reduced to the minimal geometrically necessary field content including gravity, the dilaton and the T-modulus. To this action we find a one-parameter family of time-dependent solutions and relate them to their approximate five-dimensional counterparts. These are new, generally non-separating solutions corresponding to an evolving pair of domain walls. The five-dimensional solutions are computed to leading non-trivial order in the strong coupling expansion parameter which describes loop corrections to the four-dimensional theory. These loop corrections depend on certain field excitations in the fifth dimension and thus generally vary with time. We point out that the two previously discovered exact five-dimensional separable solutions are precisely the special cases for which the loop corrections are time-independent. At the end, changes induced by the presence of a five-brane are discussed. In the last part, we study flop-transitions for pure M-theory on Calabi-Yau three-folds, in particular their influence on cosmology in the context of the effective five-dimensional N=1 supergravity theory. This is a further application of the five-dimensional action obtained earlier, but in the context of pure M-theory without five-branes, and extended to include certain two-brane states. In particular, the two-brane states that correspond to an additional hypermultiplet which becomes massless at the flop-transition is included in the effective action. We find the potential for this hypermultiplet which has quadratic and quartic terms and depends on the Kähler moduli. By constructing explicit cosmological solutions, it is shown that a flop-transition can dynamically happen, as long as the hypermultiplet is set to zero. Taking into account excitations of the hypermultiplet we find that the transition is generally not completed, that is, the system gets stabilized close to the transition region. Regions of the Kähler moduli space close to flop-transitions can therefore be viewed as dynamically preferred. The generalization of the scenario to heterotic M-theory is discussed.

Drei Botenteilchen koennen benutzt werden, um Informationen ueber Quellen der Kosmischer Strahlung zu erhalten: Photonen, geladene Teilchen und Neutrinos. In dieser Arbeit wird anhand von Beobachtungsdaten und theoretischen Modellen der Zusammenhang zwischen extrem hochenergetischer Gammastrahlung und Neutrinos untersucht. Um die Wahrscheinlichkeit fuer die Entdeckung einer Neutrino-Punktquelle zu erhoehen, wurden neue Ansaetze entwickelt. Zum einen wurde fuer 7 Objekte eine Suche nach Zeit- und Richtungskorrelationen zwischen Neutrinoereignissen, registriert vom AMANDA-II Teleskop am Suedpol, und den von IACT-Teleskopen im Zeitraum 2004-2006 beobachteten Gammastrahlungsausbruechen durchgefuehrt. Zum anderen wurde das selbe AMANDA-II Datensatz analysiert, unter Verwendung eines neuen Algorithmus zur Suche nach Strukturen in der zeitlichen Verteilung von Neutrino-Ereignissen aus einer vordefinierten Richtungen. Keine der Analysen fuehrte zur Entdeckung einer Neutrino-Punktquelle. Die zeitlich lueckenhafte Aufzeichnung von TeV Gammastrahlungs Daten, stellt eine der schwerwiegendste Einschraenkung bei Korrelationsstudien dar. Dieses Problem wurde in der vorliegenden Arbeit durch die Analyse historischer IACT Daten und neuer Ergebnisse des MAGIC AGN Beobachtungsprogramms beruecksichtigt. Anhand dieser Daten konnte eine statistische Analyse der verschiedenen Emissionszustaende zweier extragalaktischer Gammastrahlungsquellen durchgefuehrt werden. Aufgrund einer zu geringen Statistik der Messungen konnten jedoch keine endgueltigen Schluesse ueber die Wahrscheinlichkeit, diese Quellen in einem Emmisionszustand oberhalb eines gewissen Schwellenwertes anzufinden, gezogen werden. Fuer die zwei Quellen, Mrk501 und 1ES1959+650, werden hier die Ergebnisse des MAGIC AGN Beobachtungsprogramms von 2007 bis 2008 vorgestellt. Beide Quellen wurden in einem aehnlich niedrigen Zustand vorgefunden und wiesen maessige Variabilitaet und keine auffaelligen Ausbrueche auf. / Three messengers can be used to extract information about the sources of cosmic rays: photons, charged particles and neutrinos. In this work the connection between the TeV gamma-rays and neutrinos is investigated in the context of recent observations and theoretical models. In order to increase the probability of detecting a neutrino point source two new approaches were developed. First, a correlation study of possible time and directional coincidences of neutrino events, detected by the AMANDA-II telescope at the South Pole, and gamma-ray flares, observed by the Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes in the years 2004-2006, was performed for 7 objects. Secondly, the same AMANDA-II data set was analyzed using a new algorithm which looks for structures in the time distribution of the neutrino events from pre-defined directions. None of the analysis resulted in a detection of a neutrino point source. The sparse time and flux state coverage of the TeV gamma-ray data is one of the most serious issues connected with any correlation study involving photons from the high energy range. This problem was addressed in this work by an analysis of historical gamma-ray data and of the recently obtained results from the MAGIC AGN monitoring program. Based on this data a statistical analysis of different emission states of two extragalactic TeV gamma-ray sources, was performed. Due to still low flux statistics, no final conclusions concerning the probability of finding those sources in a flux state above a certain threshold can be made. The results of the MAGIC AGN monitoring program from the observational season 2007/2008 are presented here, for two sources: Mrk501 and 1ES1959+650. Both sources were found in a similarly low state and show moderate variability with no prominent flares. Since a part of the 2008 monitoring data of Mrk501 was collected during a multiwavelength campaign a modeling of its broad-band Spectral Energy Distribution is also discussed.