Theoretical analysis of hidden photon searches in high-precision experiments

Although the Standard Model of particle physics (SM) provides an extremely successful description of the ordinary matter, one knows from astronomical observations that it accounts only for around 5% of the total energy density of the Universe, whereas around 30% are contributed by the dark matter. Motivated by anomalies in cosmic ray observations and by attempts to solve questions of the SM like the (g-2)_mu discrepancy, proposed U(1) extensions of the SM gauge group have raised attention in recent years. In the considered U(1) extensions a new, light messenger particle, the hidden photon, couples to the hidden sector as well as to the electromagnetic current of the SM by kinetic mixing. This allows for a search for this particle in laboratory experiments exploring the electromagnetic interaction. Various experimental programs have been started to search for hidden photons, such as in electron-scattering experiments, which are a versatile tool to explore various physics phenomena. One approach is the dedicated search in fixed-target experiments at modest energies as performed at MAMI or at JLAB. In these experiments the scattering of an electron beam off a hadronic target e+(A,Z)->e+(A,Z)+l^+l^- is investigated and a search for a very narrow resonance in the invariant mass distribution of the lepton pair is performed. This requires an accurate understanding of the theoretical basis of the underlying processes. For this purpose it is demonstrated in the first part of this work, in which way the hidden photon can be motivated from existing puzzles encountered at the precision frontier of the SM. The main part of this thesis deals with the analysis of the theoretical framework for electron scattering fixed-target experiments searching for hidden photons. As a first step, the cross section for the bremsstrahlung emission of hidden photons in such experiments is studied. Based on these results, the applicability of the Weizsäcker-Williams approximation to calculate the signal cross section of the process, which is widely used to design such experimental setups, is investigated. In a next step, the reaction e+(A,Z)->e+(A,Z)+l^+l^- is analyzed as signal and background process in order to describe existing data obtained by the A1 experiment at MAMI with the aim to give accurate predictions of exclusion limits for the hidden photon parameter space. Finally, the derived methods are used to find predictions for future experiments, e.g., at MESA or at JLAB, allowing for a comprehensive study of the discovery potential of the complementary experiments. In the last part, a feasibility study for probing the hidden photon model by rare kaon decays is performed. For this purpose, invisible as well as visible decays of the hidden photon are considered within different classes of models. This allows one to find bounds for the parameter space from existing data and to estimate the reach of future experiments.

Computational modeling of surface interactions

Die Wechselwirkung zwischen Proteinen und anorganischen Oberflächen fasziniert sowohl aus angewandter als auch theoretischer Sicht. Sie ist ein wichtiger Aspekt in vielen Anwendungen, unter anderem in chirugischen Implantaten oder Biosensoren. Sie ist außerdem ein Beispiel für theoretische Fragestellungen betreffend die Grenzfläche zwischen harter und weicher Materie. Fest steht, dass Kenntnis der beteiligten Mechanismen erforderlich ist um die Wechselwirkung zwischen Proteinen und Oberflächen zu verstehen, vorherzusagen und zu optimieren. Aktuelle Fortschritte im experimentellen Forschungsbereich ermöglichen die Untersuchung der direkten Peptid-Metall-Bindung. Dadurch ist die Erforschung der theoretischen Grundlagen weiter ins Blickfeld aktueller Forschung gerückt. Eine Möglichkeit die Wechselwirkung zwischen Proteinen und anorganischen Oberflächen zu erforschen ist durch Computersimulationen. Obwohl Simulationen von Metalloberflächen oder Proteinen als Einzelsysteme schon länger verbreitet sind, bringt die Simulation einer Kombination beider Systeme neue Schwierigkeiten mit sich. Diese zu überwinden erfordert ein Mehrskalen-Verfahren: Während Proteine als biologische Systeme ausreichend mit klassischer Molekulardynamik beschrieben werden können, bedarf die Beschreibung delokalisierter Elektronen metallischer Systeme eine quantenmechanische Formulierung. Die wichtigste Voraussetzung eines Mehrskalen-Verfahrens ist eine Übereinstimmung der Simulationen auf den verschiedenen Skalen. In dieser Arbeit wird dies durch die Verknüpfung von Simulationen alternierender Skalen erreicht. Diese Arbeit beginnt mit der Untersuchung der Thermodynamik der Benzol-Hydratation mittels klassischer Molekulardynamik. Dann wird die Wechselwirkung zwischen Wasser und den [111]-Metalloberflächen von Gold und Nickel mittels eines Multiskalen-Verfahrens modelliert. In einem weiteren Schritt wird die Adsorbtion des Benzols an Metalloberflächen in wässriger Umgebung studiert. Abschließend wird die Modellierung erweitert und auch die Aminosäuren Alanin und Phenylalanin einbezogen. Dies eröffnet die Möglichkeit realistische Protein- Metall-Systeme in Computersimulationen zu betrachten und auf theoretischer Basis die Wechselwirkung zwischen Peptiden und Oberflächen für jede Art Peptide und Oberfläche vorauszusagen.

Altersabhängige Besonderheiten in der Entwicklung des Bedeutungsfeldes der binären Opposition von „Möglichkeit“ vs. „Unmöglichkeit“

Die vorliegende Arbeit zum kindlichen Erwerb der binären Opposition von „Möglichkeit“ und „Unmöglichkeit“ und ihrer modalen Ausdrucksweisen im Russischen ist in ihrem praktischen Teil eine Einzelfall- und Langzeitstudie, die eine Ergänzung zu den bisher veröffentlichten, durchgehend eher experimentell und statistisch orientierten Forschungsarbeiten darstellen soll.rnÜber dreieinhalb Jahre hinweg wurde kontinuierlich Sprachmaterial eines Kindes sowie einiger ungefährer Altersgenossen und Spielkameraden aufgezeichnet, geordnet und ausgewertet. Zu Beginn des Untersuchungszeitraums war die Hauptprobandin dreieinhalb Jahre alt, zum Schluß sieben Jahre. Dieses Verfahren wurde bisher für das Russische noch nicht angewandt und wird im theoretischen Teil sorgfältig begründet.rnDas Sammeln für die Fragestellung relevanten sprachlichen Materials erfordert naturgemäß einen hohen Zeit- und Arbeitsaufwand, liefert dafür aber Daten, die eine Beeinflussung durch einen vorgegebenen Versuchsaufbau ausschließen, der natürlichen, spontanen Kommunikation entspringende Äußerungen festhalten und es ermöglichen, unprovozierte Interaktion, situationsbedingte Einflüsse, das Diskursverhalten der Probanden und ähnliche, individuelle Faktoren bei der Interpretation des Sprachmaterials in angemessener Weise zu berücksichtigen.rnUm die Fülle modaler Ausdrucksweisen sinnvoll zu strukturieren, konzentriert sich die Analyse auf die kindliche Verwendung von Modalverben und Prädikative als zentrale Mittel innerhalb des „Möglichkeitsfeldes“ und richtet den Fokus dabei auf das Verb moč’. Aus diesem Grunde wurde das theoretische Fundament, das der Arbeit zugrunde liegt, zu einem nicht geringen Teil aus dem Ansatz I.V. Šatunovskijs entwickelt, der die differenzierteste Analyse der zahlreichen Bedeutungsschattierungen des Verbs moč’ vorgelegt hat. Für besonders bedeutungsvoll für die vorliegende Arbeit erweist sich die Unterscheidung von kontrollierbarer und unkontrollierbarer Möglichkeit.rnIm Rahmen der Untersuchung ließen sich die grundlegenden Entwicklungstendenzen verfolgen. Dabei wurde nicht nur versucht nachzuvollziehen, in welcher Weise sich bei einem Kind das Fundament des Sprachgebrauchs in Gestalt eines allgemeinen „Zitatenschatzes“ formiert, sondern es gelang mitunter sogar, erste Fälle der Verwendung des einen oder anderen kommunikativen Fragments mit der Bedeutung von „Möglichkeit“ / „Unmöglichkeit“ oder erste Fälle der Konfrontation des Kindes mit einer neuen Situation, die eine solche Bedeutung verlangte, und sein Sprachverhalten in diesem Moment zu fixieren.