Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte eine Analyse des Einflusses von Harnstoff-SCR-Technik auf die Partikelemission. Zudem wurde mit der Partikelkonfektionierung durch motorische Maßnahmen eine Möglichkeit zur Verbesserung der katalytischen Partikeloxidation aufgezeigt und untersucht. Untersuchungen mit einem Nfz-Dieselmotor zeigen, dass im Teillastbetrieb mit einem Harnstoff-SCR-System eine deutliche Partikelminderung möglich ist. Sie basiert im Wesentlichen auf der Oxidation organisch löslicher Bestandteile der Partikel im Katalysator. Reduktionsmitteldosierung drängt die Oxidation leicht zurück, die SCR erweist sich als zur Partikeloxidation konkurrierend. Die Charakteristik der Partikelgrößenverteilung wird durch das SCR-System nicht wesentlich verändert, jedoch kann analog zur emittierten Partikelmasse auch die Partikelanzahl deutlich abgesenkt werden. Eine Analyse hinsichtlich der Partikelbestandteile in unterschiedlichen Partikelgrößenklassen hat gezeigt, dass der Anteil organisch löslicher Substanzen mit zunehmender Partikelgröße absinkt. Durch Veränderung des Einspritzbeginns des Kraftstoffs ist die Konfektionierung der Partikelemission im Sinne besserer katalytischer Oxidation möglich. Dabei wird durch Frühverstellung der Anteil organisch löslicher Komponenten der Partikel deutlich erhöht, gleichzeitig ist eine intensive Nanopartikelbildung zu beobachten. Ein Katalysator auf V2O5/WO3/TiO2-Basis ist sehr gut zur Oxidation sowohl der Nanopartikel als auch des größten Teils der organisch löslichen Komponenten geeignet. Damit wird insgesamt eine deutliche Partikelminderung erzielt. Abgasrückführung behindert die Partikelkonfektionierung zunächst deutlich. Durch die dabei jedoch mögliche noch weitere Verlagerung des Einspritzzeitpunktes nach "früh" kann der negative Einfluss aber weitgehend kompensiert werden, so dass eine ähnlich gute Partikelminderung wie im Betrieb ohne AGR bei gleichzeitiger Minderung der Stickoxidemission möglich ist.

Im Grundwasser mobile Feststoff-Partikel stehen im Verdacht, den Transport schwerlöslicher Schadstoffe zu begünstigen. Die Partikel-Konzentration im Wasser lässt sich aber nur mittels einer aufwändigen Probenahme bestimmen. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen dieser Arbeit Feld- und Laborversuche durchgeführt. In Feldversuchen zur Probenahme wurde festgestellt, dass für eine Stabilisierung der Partikel-Anzahl-Konzentration (CN in Partikel>Nachweisgrenze/L) die Dauer der Probenahme ausschlaggebend ist, nicht das insgesamt geförderte Volumen. Eine hohe Förderrate hat dabei nicht automatisch eine stärkere Mobilisierung von Partikeln aus dem Partikel-Depot im Umfeld der Messstelle zur Folge, wie es häufig postuliert wird. Die Gewinnung einer repräsentativen Partikelprobe macht eine Probenahme-Dauer von mindestens 5, häufig sogar über 10 oder 12 Stunden erforderlich. Empfehlungen zur Probenahme wurden erarbeitet. Es wurde aber festgestellt, dass sich stabilisierte Werte für CN als Funktion der Förderdauer (t in min) nach CN = a ? t^(-½) ungefähr abschätzen lassen, wenn der Parameter a über CN nach ca. 60 Minuten ermittelt wird. Bei Wässern mit Sauerstoff-Konzentrationen über ca. 1 mg/L kann überdies auch die Verteilung der Partikel auf einzelne Größenklassen bereits nach dieser Zeit ermittelt werden; bei sauerstoffärmeren Wässern verändert sie sich später noch. Angesichts einer starken Variation von CN einer Messstelle ist es generell aber nur möglich, eine Größenordnung für die Hintergrundkonzentration anzugeben. Von Messstelle zu Messstelle sind große Unterschiede bei CN festzustellen. Die Konzentration ist dabei nicht eindeutig abhängig von der Lithologie des Grundwasserleiters oder der Zusammensetzung des Grundwassers. Allerdings konnte eine schwache Korrelation mit dem Redox-Potential (Eh in mV) des Wassers gefunden werden (CN = 1,8?10^6?e^( 0,0087?Eh) [Partikel>2,58µm/L]; r² ≈ 0,46). Hierüber besteht die Möglichkeit, CN eines Grundwassers auch ohne Partikelmessung abzuschätzen. Insgesamt bewegen sich die Partikel-Massen-Konzentrationen (C in mg/L) der beprobten Wässer meist im Bereich von <1 mg/L, öfters sogar <0,1 mg/L, wenn die im Verlaufe von Probenahme und Messung ausgefällten Fe- und Mn-Oxide nicht berücksichtigt werden. Solche Konzentrationen sind vermutlich kaum in der Lage, relevante Mengen selbst sehr hydrophober Schadstoffen aufzunehmen und zu transportieren. Versuche mit Phenanthren ergaben zudem, dass es anscheinend weniger an bereits in Suspension befindliche Partikel sorbiert, sondern vielmehr in sorbiertem oder kristallinen Zustand aus dem Depot erodiert wird. In Laborversuchen wurde weiter gezeigt, dass in natürlichen Sedimenten ein großes Depot mobilisierbarer Partikel vorhanden ist, das Partikel über einen sehr langen Zeitraum kontinuierlich abgeben kann. Durchbruchsversuche ergaben außerdem, dass ein Großteil zugegebener Partikel bei der Passage durch eine Sedimentprobe zurückgehalten und nur sehr allmählich wieder abgegeben wird. Allerdings war auch ein schneller (präferentieller) Durchbruch zu verzeichnen. In Modellrechnungen konnte gezeigt werden, dass sich ein solcher Partikeltransport weder über eine Filterfunktion noch über die Transportgleichung zufrieden stellend berechnen lässt. Daher ist es nötig, einerseits einen bevorzugten Transport und andererseits eine starke Retardation zu berücksichtigen. Letzteres kann am besten über verschiedene Retardationsfaktoren oder ein dynamisches Partikel-Depot mit Anlagerungs- und Ablösungskonstanten geschehen. / Solid particles that are mobile in groundwater are suspected to enhance the transport of hardly soluble contaminants. But particle concentrations in water can only be measured using time-consuming sampling-procedures. On this background field- and laboratory-experiments were conducted in this work. In field experiments on sampling it turned out, that sampling time is crucial for stabilizing particle number-concentration (CN in particles>detection limit/L), not the volume sampled. A high sampling rate does not -as often argued- automatically result into higher mobilization of particles from the particle-depot in the vicinity of the sampling-well. Obtaining a representative particle sample requires a sampling-time of at least 5, often even more than 10 or 12 hours. In this work recommendations on sampling are given. It was noticed that stabilized values of CN can be estimated as function of sampling time (t in min) by CN = A ? t^(-½), if parameter A is calculated using CN after about 60 minutes. In waters having oxygen-concentrations above approximately 1 mg/L even distribution of the particles into size classes can be estimated after this time; in oxygen-poor waters size-distributions stabilized much later. Because of strong variations of CN in a single measuring well it is generally only possible to give the magnitude of the background-particle-concentration. But among several measuring wells CN may differ by several magnitudes. The concentrations do neither definitely depend upon the lithology of the aquifer nor on the groundwater-composition. But a weak correlation to the redox-potential (Eh in mV) can be found (CN = 1.8 ? 10^6 ? e^( 0.0087 ? Eh) [particles>2.58µm/L]; r² ≈ 0,46). Using this connection it is possible to estimate a magnitude of CN of a groundwater without even measuring particles. Over all particle mass-concentrations (C in mg/L) of all sampled groundwaters were almost always <1 mg/L, often even <0.1 mg/L, at least if iron- and manganese-oxides that precipitated during measurements were ignored. Such particle concentrations are probably hardly capable of adsorbing and carrying relevant amounts of contaminants, even very hydrophobic ones. Experiments using phenanthrene in contaminated sand additionally showed that it is probably hardly adsorbed onto already suspended particles, but mostly eroded from the particle depot in adsorbed or crystalline state. In laboratory experiments it was further shown that there is a huge depot of mobilizable particles in natural sediments that can continually release particles over a very long period of time. Break-through-experiments showed in addition that a large part of particles fed into the system are retained during the passage through a sediment sample and that they are re-released only very slowly. However, there also was a fast (preferential) break-through. In model calculations it could be shown that such a particle transport can neither be sufficiently described by the filter-function nor by the transport equation. Because of that it is necessary to take into consideration a preferential transport on the one hand and a strong retardation on the other. The last one can at the best be described by several retardation-factors or a dynamic particle-depot having constant attachment- and detachment rates.

In dieser Arbeit verwenden wir Flavourinvarianten, um systematisch Lösungen für Probleme des Standardmodells (SM) der Teilchenphysik mit Hilfe verschiedener effektiver Feldtheorien (EFTs) zu untersuchen. In Teil I untersuchen wir die CP-Verletzung im SM und in der SM EFT erweitert mit leichten, sterilen Neutrinos. Wir konstruieren die erzeugende Menge von Flavourinvarianten im νSM, mit der jede Observable als Polynom der Invarianten, sowie die Bedingungen für die CP-Verletzung auf flavourinvariante Weise ausgedrückt werden können. Anschließend weiten wir die Ergebnisse auf die EFT-Wechselwirkungen für verschiedene Szenarien der Neutrinomassen aus. Hier ändert sich die Form der EFT-Flavourinvarianten und ihre Unterdrückung mit der Skala der neuen Physik drastisch mit der untersuchten Art der Neutrinomassen. In Teil II untersuchen wir verschiedene Aspekte der Symmetriebrechung in EFTs von axionartigen Teilchen (ALPs). Wegen ihrer pseudo-Nambu–Goldstone-Natur ist eine wesentliche Eigenschaft der ALPs ihre Shiftsymmetrie (ShS). Wir formulieren flavourinvariante Ordnungsparameter der ShS, die das Powercounting der EFT führender Ordnung bei einer leicht gebrochenen ShS korrekt implementieren lassen. Mit der Hilbertreihe zählen wir die Anzahl der Operatoren, die in der ALP EFT mit und ohne ShS oberhalb und unterhalb der elektroschwachen Skala auftreten, womit wir Operatorbasen konstruieren, die Beziehungen der ShS auf höhere Ordnung verallgemeinern und die CP-verletzenden Flavourinvarianten führender Ordnung konstruieren. Die Axionlösung des starken CP-Problems kann durch neue CP-Verletzung im Ultravioletten durch kleine Instantonen gestört werden. Mit einer SMEFT-Parametrisierung der neuen CP-Verletzung zeigen wir, dass neu konstruierte CP-verletzende SMEFT-Flavourinvarianten explizit in den Instantonberechnungen auftauchen und zur Systematisierung der Berechnungen verwendet werden können, wodurch wir bessere Limits für kleine Instanton- und Flavourszenarien ableiten. / In this thesis, we use flavour invariants to systematically study solutions to problems of the Standard Model (SM) of particle physics with different effective field theories (EFTs). In Part I, we study Charge–Parity (CP) violation in the SM and SM EFT extended with light sterile neutrinos. We construct the generating set of flavour invariants in the νSM allowing us to express any observable as a polynomial of those invariants. In addition, the invariants enable us to express the conditions for CP violation in a flavour-invariant way. We extend the results to the EFT interactions with different scenarios for the neutrino masses. Here, the form of the EFT flavour invariants and their suppression with the scale of new physics changes drastically depending on the nature of the neutrino masses. In Part II, we study different aspects of symmetry breaking in the EFTs of axionlike particles (ALPs). An essential property of ALPs is their shift symmetry (ShS) due to their pseudo-Nambu–Goldstone nature. We formulate flavour-invariant order parameters of ShS, which allow us to properly impose the power counting of the leading order EFT in the presence of a softly broken ShS. Using the Hilbert series, we count the number of operators appearing in the ALP EFT with and without a ShS above and below the electroweak scale. We use this information to construct operator bases, generalise the relations imposing ShS to higher orders and construct the leading order CP-odd flavour invariants. The axion solution to the strong CP problem can be spoiled by new CP violation in the ultraviolet in the presence of small instantons. Parameterising the new CP violation in the SMEFT, we show that newly constructed CP-odd SMEFT flavour invariants, featuring the strong CP angle, explicitly appear in the instanton computations and vice-versa that they can be used to systematise the computations. Using these results, we derive bounds on different small instanton and SMEFT flavour scenarios.

The present thesis provides a modularized view on the structure of fast numerical methods for computing Coulomb interactions between charged particles in three-dimensional space. Thereby, the common structure is given in terms of three self-contained algorithmic frameworks that are built on top of each other, namely fast Fourier transform (FFT), nonequispaced fast Fourier transform (NFFT) and NFFT based particle-mesh methods (P²NFFT). For each of these frameworks algorithmic enhancement and parallel implementations are presented with special emphasis on scalability up to hundreds of thousands of parallel processes. In the context of FFT massively parallel algorithms are composed from hardware adaptive low level modules provided by the FFTW software library. The new algorithmic NFFT concepts include pruned NFFT, interlacing, analytic differentiation, and optimized deconvolution in Fourier space with respect to a mean square aliasing error. Enabled by these generalized concepts it is shown that NFFT provides a unified access to particle-mesh methods. Especially, mixed-periodic boundary conditions are handled in a consistent way and interlacing can be incorporated more efficiently. Heuristic approaches for parameter tuning are presented on the basis of thorough error estimates. / Die vorliegende Dissertation beschreibt einen modularisierten Blick auf die Struktur schneller numerischer Methoden für die Berechnung der Coulomb-Wechselwirkungen zwischen Ladungen im dreidimensionalen Raum. Die gemeinsame Struktur ist geprägt durch drei selbstständige und auf einander aufbauenden Algorithmen, nämlich der schnellen Fourier-Transformation (FFT), der nicht äquidistanten schnellen Fourier-Transformation (NFFT) und der NFFT-basierten Teilchen-Gitter-Methode (P²NFFT). Für jeden dieser Algorithmen werden Verbesserungen und parallele Implementierungen vorgestellt mit besonderem Augenmerk auf massiv paralleler Skalierbarkeit. Im Kontext der FFT werden parallele Algorithmen aus den Hardware adaptiven Modulen der FFTW Softwarebibliothek zusammengesetzt. Die neuen NFFT-Konzepte beinhalten abgeschnittene NFFT, Versatz, analytische Differentiation und optimierte Entfaltung im Fourier-Raum bezüglich des mittleren quadratischen Aliasfehlers. Mit Hilfe dieser Verallgemeinerungen bietet die NFFT einen vereinheitlichten Zugang zu Teilchen-Gitter-Methoden. Insbesondere gemischt periodische Randbedingungen werden einheitlich behandelt und Versatz wird effizienter umgesetzt. Heuristiken für die Parameterwahl werden auf Basis sorgfältiger Fehlerabschätzungen angegeben.

In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen vorgestellt, die sich mit drei verschiedenen Aspekten der Dynamik offener Quantensysteme beschäftigen. Zwei Themenkreise haben dabei mehr grundsätzliche Probleme der Theorie dissipativer Molekularsysteme zum Gegenstand. Dementsprechend müssen die Betrachtungen dazu auf einem allgemeineren Niveau verbleiben. In dem dritten Themenkreis jedoch, der sich mit Zwei-Teilchen-Effekten in der dissipativen Dynamik befaßt, können die Untersuchungen bis hin zu Berechnung von Meßgrößen geführt werden. Im ersten Teil der Arbeit gelingt eine Verallgemeinerung der vielbenutzten Standardform der Quanten-Master-Gleichung hin zur Nichtlinearen Quanten-Master-Gleichung. Mit der Anwendung der dazugehörigen zeitabhängigen Projektionsoperator-Technik kann ein Formalismus reaktiviert werden, der in der Literatur bisher eine nur sehr eingeschränkte Verbreitung findet. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich Untersuchungen zur Monte-Carlo-Wellenfunktions-Methode mit dem Ergebnis, eine konsistente Verallgemeinerung auf ein Reservoir mit endlicher Temperatur anzugeben. Den Ausgangspunkt dazu bildet ein mikroskopisches Modell zur System-Reservoir-Kopplung, welches im Rahmen der Bewegungsgleichung für den reduzierten statistischen Operator in die sogenannte Lindblad-Form der Dissipation überführt wird. Nach der Betrachtung von Ein-Teilchen-Transferprozessen beschäftigt sich der dritte Teil der Arbeit mit der korrelierten Bewegung von zwei Quantenteilchen in einer dissipativen Umgebung mit der Hinwendung zum Zwei-Wasserstoff-System (Dihydrid-System) an Übergangsmetall-Verbindungen. Zunächst werden Modellrechnungen zur dissipationfreien Zwei-Teilchen-Dynamik in einem Potentialmodell durchzuführt. Der Einfluß, den die Teilchen-Teilchen-Korrelationen auf das Durchtunneln eines Potentialwalles besitzt, können durch verschiedene numerische Rechnungen aufgezeigt werden. Wie sich diese Effekte in Neutronenstreuexperimenten an dem Zwei-Teilchen-System der Übergangsmetall-Hydrid-Komplexe äußern, wird basierend auf Simulationsrechnungen untersucht. Kernstück dieser Betrachtungen bildet eine neuartige Formel für die Neutronenstreuung, die auf der dissipativen Dynamik des betrachteten Zwei-Teilchen-Systems aufbaut. / In the report at hand studies are presented dealing with three differentaspects of the dynamics of open quantum systems. Two topics are about the fundamental problems of the theory of dissipative molecular systems. Accordingly these investigations must remain on a more general level. In the third subject, however, which is about the two-particle effects in the dissipative dynamics the analyses can be extended to the computation of measurements. In the first part of the report a generalization of the well known standard quantum master equation to the nonlinear quantum master equation is developed. With the help of the projection operator technique belonging to it a formalism, that has not been popular in literature so far, can be reactivated. The second part of the report concentrates on examinations of the Monte-Carlo wave-function method, and results in the consistent generalization for a reservoir of finite temperature. The starting point for this is a microscopic model of the system-reservoir coupling, which is expanded to the so called Lindblad form of the dissipation in the line of the equation of motion for the reduced statistical operator. After the analysis of one-particle transfer processes the third part of the report is about the correlated motion of two quantum particles in a dissipative environment with main emphasis on the two-hydrogen system (dihydrid system) in transition metal complexes. First of all model computations for the dissipationless two-particle dynamics in a potential model are made. By different numerical computations the influence, which the particle-particle correlations exert on the tunneling through a potential barrier, can be shown.Based on simulations it is examined how these effects can be seen in neutron scattering experiments on two-particle systems of transition metal complexes. Main item of these investigations is a new formula for the neutron scattering which is based on the dissipative dynamics of the examined two-particle system.

Transportphänomene treten in biologischen und künstlichen Systemen auf allen Längenskalen auf. In dieser Arbeit untersuchen wir sie für verschiedene Systeme aus einer mesoskopischen Perspektive, in der Fluktuationen physikalischer Größen um ihre Mittelwerte eine wichtige Rolle spielen. Im ersten Teil untersuchen wir die persistente Bewegung aktiver Brownscher Teilchen mit zusätzlichem Drehmoment, wie sie z.B. für Spermien oder Janus Teilchen auftritt. Wird ihre Bewegung auf einen Tunnel variierender Breite beschränkt, so setzt im thermischen Nichtgleichgewicht Transport ein; ungerichtete Fluktuationen des rauschhaften Antriebs werden gleichgerichtet. Hierdurch wird ein neuer Ratschentyp realisiert. Im zweiten Teil untersuchen wir den intrazellulären Cargotransport in den Axonen von Nervenzellen mithilfe molekularer Motoren. Sie werden als asymmetrischer Ausschlussprozess simuliert. Zusätzlich können die Cargos zwischen benachbarten Motoren ausgetauscht werden. Dadurch lassen sich charakteristische Eigenschaften des langsamen axonalen Transports mit einer einzigen Motorspezies reproduzieren. Bewerkstelligt wird dies durch die transiente Anbindung der Cargos an rückwärtslaufende Motorstaus. Im dritten Teil diskutieren wir resistive switching, die nicht volatile Widerstandsänderung eines Dielektrikums durch elektrische Impulse. Es wird für Anwendungen im Computerspeicher ausgenutzt, dem resistive RAM. Wir schlagen ein auf Sauerstoffvakanzen basierendes stochastisches Gitterhüpfmodell vor. Wir definieren binäre logische Zustände mit Hilfe der zugrunde liegenden Vakanzenverteilung und definieren Schreibe- und Leseoperationen durch Spannungsimpulse für ein solches Speicherelement. Überlegungen über die Unterscheidbarkeit dieser Operationen unter Fluktuationen zusammen mit der Deutlichkeit der unterschiedlichen Widerstandszustände selbst ermöglichen es uns, eine optimale Vakanzenzahl vorherzusagen. / Transport phenomena occur in biological and artificial systems at all length scales. In this thesis, we investigate them for various systems from a mesoscopic perspective, in which fluctuations around their average properties play an important role. In the first part, we investigate the persistent diffusive motion of active Brownian particles with an additional torque. It can appear in many real life systems, for example in sperm cells or Janus particles. If their motion is confined to a tunnel of varying width, transport arises out of thermal equilibrium; unbiased fluctuations of the noisy drive are rectified. This way, we have realized a novel kind of ratchet. In the second part, we study intracellular cargo transport in the axons of nerve cells by molecular motors. They are modeled by an asymmetric exclusion process. In a new approach, we add a cargo exchange interaction between the motors. This way, the characteristics of slow axonal transport can be accounted for with a single motor species. It is explained by the transient attachment of cargos to reverse walking motors jams. In the third part, we discuss resistive switching, the non-volatile change of resistance in a dielectric due to electric pulses. It is exploited for applications in computer memory, the resistive random access memory (ReRAM). We propose a stochastic lattice hopping model based on the on oxygen vacancies. We define binary logical states by means of the underlying vacancy distributions, and establish a framework of writing and reading such a memory element with voltage pulses. Considerations about the discriminability of these operations under fluctuations together with the markedness of the resistive switching effect itself enable us to predict an optimal vacancy number.

Die Entdeckung eines geladenen Higgs-Bosons, H+, wäre ein unbestreitbarer Nachweis von Physik jenseits des Standardmodells. In der vorliegenden Arbeit wird die Suche nach dem H+ mit Hilfe von Proton-Proton-Kollisionen, welche im Jahr 2011 mit dem ATLAS Experiment am Large Hadron Collider, LHC, des CERN aufgenommen wurden, beschrieben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine überarbeitete Analyse der Suche nach geladenen Higgs-Bosonen, die eine Verhältnismethode anwendet und damit die Sensitivität des traditionell direkten Suchansatzes stark verbessert, durchgeführt. Leichte geladene Higgs-Bosonen, welche eine Masse geringer als die des Top-Quarks aufweisen, können aus einem Top-Quark-Zerfall hervorgehen. Im Gegensatz zu den schweren geladenen Higgs-Bosonen sind die leichten aufgrund des hohen Produktionswirkungsquerschnitts von Top-Quark-Paaren am LHC potenziell mit den ersten Daten des Experiments beobachtbar. In den meisten Theorien und Szenarien sowie dem größten Bereich ihres Phasenraumes zerfallen leichte geladene Higgs-Bosonen meist im H± → τ±ν Kanal. Demzufolge spielen sowohl die τ-Identifikation als auch die τ-Fehlidentifikation eine besondere Rolle für die Suche nach geladenen Higgs-Bosonen. Eigens für die Ermittlung der Fehlidentifikationswahrscheinlichkeiten von Elektronen als hadronisch zerfallende τ-Leptonen wurde eine “tag-and-probe”-Methode, basierend auf Z → ee Ereignissen, entwickelt. Diese Messungen sind mit den allerersten Daten durchgeführt worden. Dabei haben diese einerseits für alle Analysen, welche die Elektronenveto-Algorithmen der τ-Identifikation nutzen, essenzielle Skalenfaktoren hervorgebracht. Andererseits wurde, beruhend auf diesen Ergebnissen, eine datenbasierte Abschätzungsmethode entwickelt und für die Untergründe der geladenen Higgs-Boson-Suche, die von der Fehlidentifikation von Elektronen als hadronisch zerfallende τ-Leptonen stammen, erfolgreich implementiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Triggerstudien, mit dem Ziel höchstmögliche Signaleffizienzen zu gewährleisten, durchgeführt. Neuartige Triggerobjekte, basierend auf einer Kombination aus τ-Trigger und fehlender transversaler Energie-Trigger, wurden entworfen, überprüft und in das Triggermenü für die Datennahme im Jahr 2012 aufgenommen. Eine direkte Suche nach dem geladenen Higgs-Boson wurde in drei Kanälen mit einem τ-Lepton im Endzustand unter Berücksichtigung des gesamten Datensatzes des Jahres 2011 durchgeführt. Da kein signifikanter Überschuss, der von den Vorhersagen des Standardmodells abweicht, in den Daten beobachtet wurde, sind obere Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) gesetzt worden. Letztlich ist die Analyse des Kanals mit einem hadronisch zerfallenden τ-Lepton und einem Myon oder Elektron im Endzustand des tt ̄-Zerfalls, unter Anwendung der sogenannten Verhältnismethode, wiederholt worden. Diese Methode misst Verhältnisse von Ereignisausbeuten, anstatt die Verteilungen diskriminierender Variablen zu evaluieren. Folglich kürzen sich die meisten dominant beitragenden systematischen Unsicherheiten intrinsisch heraus. Die Daten stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein. Durch Zuhilfenahme der Verhältnismethode wurden die oberen Ausschlussgrenzen, im Vergleich zur direkten Suche, signifikant verbessert. Die Resultate der Verhältnismethode sind mit denen der direkten Suche, welche ein hadronisch zerfallendes τ-Lepton und zwei Jets im Endzustand des tt ̄-Zerfalls nutzt, kombiniert worden. Auf diese Art und Weise konnten obere Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) in einem Bereich von 0,8 %–3,4 % für geladene Higgs-Bosonen in einem Massenbereich für m_H+ zwischen 90 GeV und 160 GeV gesetzt werden. Sollte das Minimal Supersymmetrische Standardmodell (MSSM) in der Natur realisiert sein, so haben die hier ermittelten oberen Ausschlussgrenzen auf B(t → bH+) direkte Konsequenzen für die Identität des Higgs-Boson-ähnlichen Teilchens, welches im Jahr 2012 am LHC entdeckt wurde.

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The discovery of a heavy neutral particle would be a direct hint for new physics beyond the Standard Model. In this thesis searches for new heavy neutral particles decaying into two tau leptons, which further decay into hadrons, are presented. They cover neutral Higgs bosons in the context of the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM) as well as Z′ bosons, predicted by various theories with an extended gauge sector. Both analyses are based on the full 2012 proton-proton collision dataset taken by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). The extended Higgs sector in the MSSM suggests additional heavy neutral Higgs bosons which decay into tau leptons in about 10% of the time. Given that the dominant final state, φ → b¯b, suffers from tremendous QCD initiated backgrounds, the decay into two tau leptons is the most promising final state to discover such new resonances. The fully hadronic final state is the dominant one with a branching fraction of about 42%. It governs the sensitivity, in particular at high transverse momentum when the QCD multijet background becomes small. Other theoretical extensions of the Standard Model, which are mainly driven by the concept of gauge unification, predict additional heavy particles arising from an extended underlying gauge group. Some of them further predict an enhanced coupling to fermions of the third generation. This motivates the search for Z′ bosons in the fully hadronic di-tau final state. One major challenge in physics analyses involving tau leptons is to have an outstanding performance of trigger and identification algorithms suitable to select real tau leptons with high efficiency, while rejecting fake taus originating from quark or gluon initiated jets. In this work a new tau trigger concept based on multivariate classifiers has been developed and became the default tau trigger algorithm in 2012 data-taking. An updated tau identification technique based on the log-likelihood approach has been provided for 2011 data-taking. Furthermore, a new framework has been developed to perform the tuning of the tau identification algorithm and exploited for the optimisation for 2012 data-taking, accordingly. The search for new heavy neutral Higgs bosons in the context of the MSSM has been performed exploiting the full 2012 dataset corresponding to an integrated luminosity of 19.5 fb−1 taken at a centre-of-mass energy of √s = 8 TeV. Updated event selection criteria and novel data-driven background estimation techniques have been developed and are suitable to increase the sensitivity of the analysis significantly. No deviations from the Standard Model prediction are observed, and thus 95% C.L. exclusion limits on the production cross section times branching ratio, σ(pp → φ) × BR(φ → ττ), are derived exploiting the CLs method. The exclusion ranges from 13.0 pb at 150GeV to 7.0 fb at 1 TeV for Higgs boson production in association with b-quarks and from 23.6 pb at 150GeV to 7.5 fb at 1 TeV for Higgs bosons produced via gluon-gluon fusion. The obtained exclusion limit on σ(pp → φ) × BR(φ → ττ) can be related to an exclusion of the MSSM parameter space in the MA-tan β-plane. Various benchmark scenario are considered. The ”standard candle” is the mhmax scenario, for which tan β values between 13.3 and 55 can be excluded at 95% C.L. in the considered mass range. Updated benchmark scenarios designed to incorporate the recently discovered SM-like Higgs boson were suggested and analysed as well. In the mhmod+ (mhmod−) scenario tan β values between 13.5 (13.3 ) and 55 (52 ) can be excluded. Finally, a search for heavy neutral resonances in the context of Z′ bosons was performed. As in the search for new Higgs bosons, no deviation from the Standard Model prediction is observed, and hence exclusion limits on the production cross section times branching ratio, σ(pp → Z′) × BR(Z′ → ττ), and on the Z′ boson mass are derived exploiting the Bayesian approach. Z′ bosons with MZ′ < 1.9 TeV can be excluded at 95% credibility, and thus mark the strongest exclusion limit obtained in the di-tau final state by any collider experiment so far.

The discovery of a heavy neutral particle would be a direct hint for new physics beyond the Standard Model. In this thesis searches for new heavy neutral particles decaying into two tau leptons, which further decay into hadrons, are presented. They cover neutral Higgs bosons in the context of the minimal supersymmetric extension of the Standard Model (MSSM) as well as Z′ bosons, predicted by various theories with an extended gauge sector. Both analyses are based on the full 2012 proton-proton collision dataset taken by the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC). The extended Higgs sector in the MSSM suggests additional heavy neutral Higgs bosons which decay into tau leptons in about 10% of the time. Given that the dominant final state, φ → b¯b, suffers from tremendous QCD initiated backgrounds, the decay into two tau leptons is the most promising final state to discover such new resonances. The fully hadronic final state is the dominant one with a branching fraction of about 42%. It governs the sensitivity, in particular at high transverse momentum when the QCD multijet background becomes small. Other theoretical extensions of the Standard Model, which are mainly driven by the concept of gauge unification, predict additional heavy particles arising from an extended underlying gauge group. Some of them further predict an enhanced coupling to fermions of the third generation. This motivates the search for Z′ bosons in the fully hadronic di-tau final state. One major challenge in physics analyses involving tau leptons is to have an outstanding performance of trigger and identification algorithms suitable to select real tau leptons with high efficiency, while rejecting fake taus originating from quark or gluon initiated jets. In this work a new tau trigger concept based on multivariate classifiers has been developed and became the default tau trigger algorithm in 2012 data-taking. An updated tau identification technique based on the log-likelihood approach has been provided for 2011 data-taking. Furthermore, a new framework has been developed to perform the tuning of the tau identification algorithm and exploited for the optimisation for 2012 data-taking, accordingly. The search for new heavy neutral Higgs bosons in the context of the MSSM has been performed exploiting the full 2012 dataset corresponding to an integrated luminosity of 19.5 fb−1 taken at a centre-of-mass energy of √s = 8 TeV. Updated event selection criteria and novel data-driven background estimation techniques have been developed and are suitable to increase the sensitivity of the analysis significantly. No deviations from the Standard Model prediction are observed, and thus 95% C.L. exclusion limits on the production cross section times branching ratio, σ(pp → φ) × BR(φ → ττ), are derived exploiting the CLs method. The exclusion ranges from 13.0 pb at 150GeV to 7.0 fb at 1 TeV for Higgs boson production in association with b-quarks and from 23.6 pb at 150GeV to 7.5 fb at 1 TeV for Higgs bosons produced via gluon-gluon fusion. The obtained exclusion limit on σ(pp → φ) × BR(φ → ττ) can be related to an exclusion of the MSSM parameter space in the MA-tan β-plane. Various benchmark scenario are considered. The ”standard candle” is the mhmax scenario, for which tan β values between 13.3 and 55 can be excluded at 95% C.L. in the considered mass range. Updated benchmark scenarios designed to incorporate the recently discovered SM-like Higgs boson were suggested and analysed as well. In the mhmod+ (mhmod−) scenario tan β values between 13.5 (13.3 ) and 55 (52 ) can be excluded. Finally, a search for heavy neutral resonances in the context of Z′ bosons was performed. As in the search for new Higgs bosons, no deviation from the Standard Model prediction is observed, and hence exclusion limits on the production cross section times branching ratio, σ(pp → Z′) × BR(Z′ → ττ), and on the Z′ boson mass are derived exploiting the Bayesian approach. Z′ bosons with MZ′ < 1.9 TeV can be excluded at 95% credibility, and thus mark the strongest exclusion limit obtained in the di-tau final state by any collider experiment so far.