Numerical precision calculations for LHC physics

In dieser Arbeit stelle ich Aspekte zu QCD Berechnungen vor, welche eng verknüpft sind mit der numerischen Auswertung von NLO QCD Amplituden, speziell der entsprechenden Einschleifenbeiträge, und der effizienten Berechnung von damit verbundenen Beschleunigerobservablen. Zwei Themen haben sich in der vorliegenden Arbeit dabei herauskristallisiert, welche den Hauptteil der Arbeit konstituieren. Ein großer Teil konzentriert sich dabei auf das gruppentheoretische Verhalten von Einschleifenamplituden in QCD, um einen Weg zu finden die assoziierten Farbfreiheitsgrade korrekt und effizient zu behandeln. Zu diesem Zweck wird eine neue Herangehensweise eingeführt welche benutzt werden kann, um farbgeordnete Einschleifenpartialamplituden mit mehreren Quark-Antiquark Paaren durch Shufflesummation über zyklisch geordnete primitive Einschleifenamplituden auszudrücken. Ein zweiter großer Teil konzentriert sich auf die lokale Subtraktion von zu Divergenzen führenden Poltermen in primitiven Einschleifenamplituden. Hierbei wurde im Speziellen eine Methode entwickelt, um die primitiven Einchleifenamplituden lokal zu renormieren, welche lokale UV Counterterme und effiziente rekursive Routinen benutzt. Zusammen mit geeigneten lokalen soften und kollinearen Subtraktionstermen wird die Subtraktionsmethode dadurch auf den virtuellen Teil in der Berechnung von NLO Observablen erweitert, was die voll numerische Auswertung der Einschleifenintegrale in den virtuellen Beiträgen der NLO Observablen ermöglicht. Die Methode wurde schließlich erfolgreich auf die Berechnung von NLO Jetraten in Elektron-Positron Annihilation im farbführenden Limes angewandt.

Chirale effektive Feldtheorie mit Vektormesonen : vom elektromagnetischen Formfaktor zur virtuellen Compton-Streuung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung niederenergetischer elektromagnetischer und hadronischer Prozesse im Rahmen einer manifest lorentzinvarianten, chiralen effektiven Feldtheorie unter expliziter, dynamischer Berücksichtigung resonanter, das heißt vektormesonischer Freiheitsgrade. Diese effektive Theorie kann daher als Approximation der grundlegenden Quantenchromodynamik bei kleinen Energien verstanden werden. Besonderes Augenmerk wird dabei auf das verwendete Zähl- sowie Renormierungschema gelegt, wodurch eine konsistente Beschreibung mesonischer Prozesse bis zu Energien von etwa 1GeV ermöglicht wird. Das verwendete Zählschema beruht dabei im Wesentlichen auf einem Argument für großes N_c (Anzahl der Farbfreiheitsgrade) und lässt eine äquivalente Behandlung von Goldstonebosonen (Pionen) und Resonanzen (Rho- und Omegamesonen) zu. Als Renormierungsschema wird das für (bezüglich der starken Wechselwirkung) instabile Teilchen besonders geeignete complex-mass scheme als Erweiterung des extended on-mass-shell scheme verwendet, welches in Kombination mit dem BPHZ-Renormierungsverfahren (benannt nach Bogoliubov, Parasiuk, Hepp und Zimmermann) ein leistungsfähiges Konzept zur Berechnung von Quantenkorrekturen in dieser chiralen effektiven Feldtheorie darstellt. Sämtliche vorgenommenen Rechnungen schließen Terme der chiralen Ordnung vier sowie einfache Schleifen in Feynman-Diagrammen ein. Betrachtet werden unter anderem der Vektorformfaktor des Pions im zeitartigen Bereich, die reelle Compton-Streuung (beziehungsweise Photonenfusion) im neutralen und geladenen Kanal sowie die virtuelle Compton-Streuung, eingebettet in die Elektron-Positron-Annihilation. Zur Extraktion der Niederenergiekopplungskonstanten der Theorie wird letztendlich eine Reihe experimenteller Datensätze verschiedenartiger Observablen verwendet. Die hier entwickelten Methoden und Prozeduren - und insbesondere deren technische Implementierung - sind sehr allgemeiner Natur und können daher auch an weitere Problemstellungen aus diesem Gebiet der niederenergetischen Quantenchromodynamik angepasst werden.

Quantification of the bond-angle dispersion by Raman spectroscopy and the strain energy of amorphous silicon

A thorough critical analysis of the theoretical relationships between the bond-angle dispersion in a-Si, Δθ, and the width of the transverse optical Raman peak, Γ, is presented. It is shown that the discrepancies between them are drastically reduced when unified definitions for Δθ and Γ are used. This reduced dispersion in the predicted values of Δθ together with the broad agreement with the scarce direct determinations of Δθ is then used to analyze the strain energy in partially relaxed pure a-Si. It is concluded that defect annihilation does not contribute appreciably to the reduction of the a-Si energy during structural relaxation. In contrast, it can account for half of the crystallization energy, which can be as low as 7 kJ/mol in defect-free a-Si

Quantification of the bond-angle dispersion by Raman spectroscopy and the strain energy of amorphous silicon

A thorough critical analysis of the theoretical relationships between the bond-angle dispersion in a-Si, Δθ, and the width of the transverse optical Raman peak, Γ, is presented. It is shown that the discrepancies between them are drastically reduced when unified definitions for Δθ and Γ are used. This reduced dispersion in the predicted values of Δθ together with the broad agreement with the scarce direct determinations of Δθ is then used to analyze the strain energy in partially relaxed pure a-Si. It is concluded that defect annihilation does not contribute appreciably to the reduction of the a-Si energy during structural relaxation. In contrast, it can account for half of the crystallization energy, which can be as low as 7 kJ/mol in defect-free a-Si

An experimental and theoretical investigation into positron and electron scattering from formaldehyde

We report on measurements of total cross sections (TCSs) for positron scattering from the fundamental organic molecule formaldehyde (CH(2)O). The energy range of these measurements was 0.26-50.3 eV, whereas the energy resolution was similar to 260 meV. To assist us in interpreting these data, Schwinger multichannel level calculations for positron elastic scattering from CH(2)O were also undertaken (0.5-50 eV). These calculations, incorporating an accurate model for the target polarization, are found to be in good qualitative agreement with our measured data. In addition, in order to compare the behaviour of positron and electron scattering from this species, independent atom model-screened additivity rule theoretical electron TCSs, now for energies in the range 1-10 000 eV, are also reported.

Near threshold vibrational excitation of molecules by positron impact: A projection operator approach

We report vibrational excitation (v(i) = 0 -> v(f) = 1) cross-sections for positron scattering by H(2) and model calculations for the (v(i) = 0 -> v(f) = 1) excitation of the C-C symmetric stretch mode of C(2)H(2). The Feshbach projection operator formalism was employed to vibrationally resolve the fixed-nuclei phase shifts obtained with the Schwinger multichannel method. The near threshold behavior of H(2) and C(2)H(2) significantly differ in the sense that no low lying singularity (either virtual or bound state) was found for the former, while a e(+)-acetylene virtual state was found at the equilibrium geometry (this virtual state becomes a bound state upon stretching the molecule). For C(2)H(2), we also performed model calculations comparing excitation cross-sections arising from virtual (-i kappa(0)) and bound (+i kappa(0)) states symmetrically located around the origin of the complex momentum plane (i.e. having the same kappa(0)). The virtual state is seen to significantly couple to vibrations, and similar cross-sections were obtained for shallow bound and virtual states. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Positron scattering from methane

We report on measurements of total cross sections for positron scattering from the fundamental organic molecule methane (CH(4)). The energy range of these measurements was 0.1-50 eV, whereas the energy resolution was similar to 100 meV when our Ni moderator was used and similar to 260 meV when the W moderator was employed. To assist us in interpreting these data, Schwinger multichannel calculations were performed at both static and static plus polarization levels of approximation for elastic positron scattering from 0.001 to 10 eV. These calculations are found to be in quite good qualitative agreement with our measured data, and they clearly educe the crucial role played by the target polarization in the low energy positron-CH(4) scattering dynamics.

Positron scattering from the cyclic ethers oxirane, 1,4-dioxane, and tetrahydropyran

In this paper we report original measurements of total cross sections (TCSs) for positron scattering from the cyclic ethers oxirane (C2H4O), 1,4-dioxane (C4H8O2), and tetrahydropyran (C5H10O). The present experiments focus on the low energy range from similar to 0.2 to 50 eV, with an energy resolution smaller than 300 meV. This study concludes our systematic investigation into TCSs for a class of organic compounds that can be thought of as sub-units or moieties to the nucleotides in living matter, and which as a consequence have become topical for scientists seeking to simulate particle tracks in matter. Note that as TCSs specify the mean free path between collisions in such simulations, they have enjoyed something of a recent renaissance in interest because of that application. For oxirane, we also report original Schwinger multichannel elastic integral cross section (ICS) calculations at the static and static plus polarisation levels, and with and without Born-closure that attempts to account for the permanent dipole moment of C2H4O. Those elastic ICSs are computed for the energy range 0.5-10 eV. To the best of our knowledge, there are no other experimental results or theoretical calculations against which we can compare the present positron TCSs. However, electron TCSs for oxirane (also known as ethylene oxide) and tetrahydropyran do currently exist in the literature and a comparison to them for each species will be presented. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.3696378]

Constraints on enhanced dark matter annihilation from IceCube results

Excesses on positron and electron fluxes-measured by ATIC and the PAMELA and Fermi-LAT telescopes-can be explained by dark matter annihilation in the Galaxy, however, it requires large boosts on the dark matter annihilation rate. There are many possible enhancement mechanisms such as the Sommerfeld effect or the existence of dark matter clumps in our halo. If enhancements on the dark matter annihilation cross section are taking place, the dark matter annihilation in the core of the Earth will be enhanced. Here we use recent results from the IceCube 40-string configuration to probe generic enhancement scenarios. We present results as a function of the dark matter-proton interaction cross section, sigma(chi p) weighted by the branching fraction into neutrinos f(nu(nu) over bar) as a function of a generic boost factor B-F, which parametrizes the expected enhancement of the annihilation rate. We find that dark matter models that require annihilation enhancements of O(100) or more and that annihilate significantly into neutrinos are excluded as an explanation for these excesses. We also determine the boost range that can be probed by the full IceCube telescope.

Positron collisions with ethene

We present experimental and theoretical cross sections for positron collisions with ethene molecules. The experimental total cross sections (TCSs) were obtained with a linear transmission technique, for energies from 0.1 eV up to 70 eV. The calculations employed the Schwinger multichannel method and were performed in the static plus polarization approximation for energies up to 10 eV. Our calculated elastic cross sections indicate a Ramsauer-Townsend minimum around 2.8 eV and a virtual state, in agreement with previous calculations by da Silva et al. [Phys. Rev. Lett. 77, 1028 (1996)]. We found reasonable agreement between the calculated elastic integral cross section and the measured total cross section below the positronium formation threshold. The present results are also in quite good agreement with available theoretical and experimental data, although for the experiments this is only true for TCSs above about 7 eV.

Unraveling efficiency-limiting processes in organic solar cells by ultrafast spectroscopy - impact of chemical structure and morphology on photophysics and efficiency

Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung der photophysikalischen Prozesse, die in Mischungen von Elektronendonoren mit Elektronenakzeptoren zur Anwendung in organischen Solarzellen auftreten. Als Elektronendonoren werden das Copolymer PBDTTT-C, das aus Benzodithiophen- und Thienothiophene-Einheiten besteht, und das kleine Molekül p-DTS(FBTTh2)2, welches Silizium-überbrücktes Dithiophen, sowie fluoriertes Benzothiadiazol und Dithiophen beinhaltet, verwendet. Als Elektronenakzeptor finden ein planares 3,4:9,10-Perylentetracarbonsäurediimid-(PDI)-Derivat und verschiedene Fullerenderivate Anwendung. PDI-Derivate gelten als vielversprechende Alternativen zu Fullerenen aufgrund der durch chemische Synthese abstimmbaren strukturellen, optischen und elektronischen Eigenschaften. Das gewichtigste Argument für PDI-Derivate ist deren Absorption im sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums was den Photostrom verbessern kann. Fulleren-basierte Mischungen übertreffen jedoch für gewöhnlich die Effizienz von Donor-PDI-Mischungen.rnUm den Nachteil der PDI-basierten Mischungen im Vergleich zu den entsprechenden Fulleren-basierten Mischungen zu identifizieren, werden die verschiedenen Donor-Akzeptor-Kombinationen auf ihre optischen, elektronischen und strukturellen Eigenschaften untersucht. Zeitaufgelöste Spektroskopie, vor allem transiente Absorptionsspektroskopie (TA), wird zur Analyse der Ladungsgeneration angewendet und der Vergleich der Donor-PDI Mischfilme mit den Donor-Fulleren Mischfilmen zeigt, dass die Bildung von Ladungstransferzuständen einen der Hauptverlustkanäle darstellt.rnWeiterhin werden Mischungen aus PBDTTT-C und [6,6]-Phenyl-C61-buttersäuremethylesther (PC61BM) mittels TA-Spektroskopie auf einer Zeitskala von ps bis µs untersucht und es kann gezeigt werden, dass der Triplettzustand des Polymers über die nicht-geminale Rekombination freier Ladungen auf einer sub-ns Zeitskala bevölkert wird. Hochentwickelte Methoden zur Datenanalyse, wie multivariate curve resolution (MCR), werden angewendet um überlagernde Datensignale zu trennen. Zusätzlich kann die Regeneration von Ladungsträgern durch Triplett-Triplett-Annihilation auf einer ns-µs Zeitskala gezeigt werden. Darüber hinaus wird der Einfluss des Lösungsmitteladditivs 1,8-Diiodooctan (DIO) auf die Leistungsfähigkeit von p-DTS(FBTTh2)2:PDI Solarzellen untersucht. Die Erkenntnisse von morphologischen und photophysikalischen Experimenten werden kombiniert, um die strukturellen Eigenschaften und die Photophysik mit den relevanten Kenngrößen des Bauteils in Verbindung zu setzen. Zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen (time-resolved photoluminescence, TRPL) zeigen, dass der Einsatz von DIO zu einer geringeren Reduzierung der Photolumineszenz führt, was auf eine größere Phasentrennung zurückgeführt werden kann. Außerdem kann mittels TA Spektroskopie gezeigt werden, dass die Verwendung von DIO zu einer verbesserten Kristallinität der aktiven Schicht führt und die Generation freier Ladungen fördert. Zur genauen Analyse des Signalzerfalls wird ein Modell angewendet, das den gleichzeitigen Zerfall gebundener CT-Zustände und freier Ladungen berücksichtigt und optimierte Donor-Akzeptor-Mischungen zeigen einen größeren Anteil an nicht-geminaler Rekombination freier Ladungsträger.rnIn einer weiteren Fallstudie wird der Einfluss des Fullerenderivats, namentlich IC60BA und PC71BM, auf die Leistungsfähigkeit und Photophysik der Solarzellen untersucht. Eine Kombination aus einer Untersuchung der Struktur des Dünnfilms sowie zeitaufgelöster Spektroskopie ergibt, dass Mischungen, die ICBA als Elektronenakzeptor verwenden, eine schlechtere Trennung von Ladungstransferzuständen zeigen und unter einer stärkeren geminalen Rekombination im Vergleich zu PCBM-basierten Mischungen leiden. Dies kann auf die kleinere Triebkraft zur Ladungstrennung sowie auf die höhere Unordnung der ICBA-basierten Mischungen, die die Ladungstrennung hemmen, zurückgeführt werden. Außerdem wird der Einfluss reiner Fullerendomänen auf die Funktionsfähigkeit organischer Solarzellen, die aus Mischungen des Thienothienophen-basierenden Polymers pBTTT-C14 und PC61BM bestehen, untersucht. Aus diesem Grund wird die Photophysik von Filmen mit einem Donor-Akzeptor-Mischungsverhältnis von 1:1 sowie 1:4 verglichen. Während 1:1-Mischungen lediglich eine co-kristalline Phase, in der Fullerene zwischen den Seitenketten von pBTTT interkalieren, zeigen, resultiert der Überschuss an Fulleren in den 1:4-Proben in der Ausbildung reiner Fullerendomänen zusätzlich zu der co kristallinen Phase. Transiente Absorptionsspektroskopie verdeutlicht, dass Ladungstransferzustände in 1:1-Mischungen hauptsächlich über geminale Rekombination zerfallen, während in 1:4 Mischungen ein beträchtlicher Anteil an Ladungen ihre wechselseitige Coulombanziehung überwinden und freie Ladungsträger bilden kann, die schließlich nicht-geminal rekombinieren.

Dependence of Positronium Lifetime on Temperature in Porous Materials

A positron and electron can form the bound state called positronium. When positronium is formed in a porous material, its lifetime is based on the electron density of the pore walls, temperature, and pore size according the Rectangular Extenstion to the Tao-Eldrup Model. Positronium Annihilation Lifetime Spectroscopy is an established technique of finding positronium lifetimes. Using this technique, we find positronium lifetimes at various temperatures and compare these to the expectations of the model. We find that the pore size relationship is consistent, but more data must be gathered under different conditions in order to draw conclusions about relationships between lifetime, temperature, and pore size.

Next-to-Next-to-Next-to-Leading Order QCD Prediction for the Top Antitop S-Wave Pair Production Cross Section Near Threshold in e + e − Annihilation

We present the third-order QCD prediction for the production of top antitop quark pairs in electron-positron collisions close to the threshold in the dominant S-wave state. We observe a significant reduction of the theoretical uncertainty and discuss the sensitivity to the top quark mass and width.

Measuring The Hydrodynamic Radius Of Quantum Dots By Fluorescence Correlation Spectroscopy.

Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) is an optical technique that allows the measurement of the diffusion coefficient of molecules in a diluted sample. From the diffusion coefficient it is possible to calculate the hydrodynamic radius of the molecules. For colloidal quantum dots (QDs) the hydrodynamic radius is valuable information to study interactions with other molecules or other QDs. In this chapter we describe the main aspects of the technique and how to use it to calculate the hydrodynamic radius of quantum dots (QDs).