Développement de nouveaux matériaux organométalliques pour des applications dans le domaine de la conversion d’énergie solaire

Dans un contexte où l’approvisionnement énergétique mondial du 21e siècle est un enjeu majeur, le développement de sources d’énergie renouvelables suscite l’attention croissante de la communauté scientifique et industrielle. L’énergie solaire est définitivement l’une des meilleures alternatives aux combustibles fossiles en tant que source d’énergie du monde de demain. Ce mémoire traite donc du développement de nouveaux matériaux organométalliques pour des applications de photorécoltage d’énergie en photovoltaïque et en production d’hydrogène. Le premier chapitre présente la synthèse assistée par microondes de quatre nouveaux complexes de Co(II), Ni(II), Cu(II) et Zn(II) basés sur le ligand tétra-p-méthoxyphényl-azadipyrrométhène (ADPM) avec des rendements variant de 89% à quantitatif. Ces complexes sont mis en relation avec d’autres complexes homoleptiques connus portant le tétraphényl-ADPM comme ligand ainsi qu’avec leurs chélates de BF2+ pour une meilleure compréhension des tendances engendrées par la substitution de l’agent coordonnant et/ou des substituants p-méthoxy. Pour ce faire, le comportement électrochimique et photophysique est présenté. De façon générale, la présence des quatre groupements p-méthoxy semble rendre les dérivés de cet ADPM plus susceptibles à la dégradation électrochimique en conditions d’oxydation et induire un déplacement bathochromique des propriétés optiques d’absorption et d’émission. Les structures rayons X du ligand tétra-p-méthoxyphényl-ADPM et de son complexe homoleptique de Co(II) sont aussi discutées. Cette étude a été effectuée dans l’espoir de fournir des informations utiles sur la stabilité des ADPM aux chercheurs du domaine photovoltaïque en quête de nouveaux chromophores dans le proche infrarouge (NIR). Le deuxième chapitre présente quant à lui les propriétés de senseur envers les anions F-, OAc- et H2PO4- de deux nouveaux complexes neutres de Re(I) de type mono- et dinucléaire basés sur une phénanthroline substituée en position 5 contenant un récepteur thio-urée. Ces composés ont été obtenus dans des rendements de 81% et 60%, respectivement. L’effet de la formation de ponts hydrogène lors de l’ajout d’anions versus la déprotonation du récepteur a été évalué par des titrations UV/Vis et RMN 1H et semble indiquer que la formation de la base conjuguée du récepteur est favorisée pour ce type de système. De plus, la structure rayons X d’un des précurseurs est présentée et permet une discussion sur la chiralité des complexes mono- et dinucléaire obtenus. L’obtention d’un complexe bimétallique par autoassemblage ouvre la voie à la préparation d’antennes moléculaires pour des systèmes de photosynthèse artificielle.

Vers des assemblages de complexes métalliques oligonucléaires, servant d’antenne solaire au niveau moléculaire

Les fichiers additionnels sont les données cristallographiques en format CIF. Voir le site de la Cambridge Crystallographic Data Centre pour un visualiseur: http://www.ccdc.cam.ac.uk

NLO QCD Corrections to the Polarized Photo- and Hadroproduction of Heavy Quarks

The complete details of our calculation of the NLO QCD corrections to heavy flavor photo- and hadroproduction with longitudinally polarized initial states are presented. The main motivation for investigating these processes is the determination of the polarized gluon density at the COMPASS and RHIC experiments, respectively, in the near future. All methods used in the computation are extensively documented, providing a self-contained introduction to this type of calculations. Some employed tools also may be of general interest, e.g., the series expansion of hypergeometric functions. The relevant parton level results are collected and plotted in the form of scaling functions. However, the simplification of the obtained gluon-gluon virtual contributions has not been completed yet. Thus NLO phenomenological predictions are only given in the case of photoproduction. The theoretical uncertainties of these predictions, in particular with respect to the heavy quark mass, are carefully considered. Also it is shown that transverse momentum cuts can considerably enhance the measured production asymmetries. Finally unpolarized heavy quark production is reviewed in order to derive conditions for a successful interpretation of future spin-dependent experimental data.

eta ->gamma gamma decay width via the Primakoff cross section

Incoherent eta photoproduction in nuclei is evaluated at forward angles within 4 to 9 GeV using a multiple scattering Monte Carlo cascade calculation with full eta-nucleus final-state interactions. The Primakoff, nuclear coherent and nuclear incoherent components of the cross sections fit remarkably well previous measurements for Be and Cu from Cornell, suggesting a destructive interference between the Coulomb and nuclear coherent amplitudes for Cu. The inelastic background of the data is consistently attributed to the nuclear incoherent part, which is clearly not isotropic as previously considered in Cornell's analysis. The respective Primakoff cross sections from Be and Cu give Gamma(eta ->gamma gamma)=0.476(62) keV, where the quoted error is only statistical. This result is consistent with the Particle Data Group average of 0.510(26) keV and in sharp contrast (similar to 50%) with the value of 0.324(46) keV obtained at Cornell.

gamma p and gamma gamma scattering from (p)over-bar-p, pp forward amplitudes in a QCD eikonal model with a dynamical gluon mass

We examine the gamma p photoproduction and the hadronic gamma gamma total cross sections by means of a QCD eikonal model with a dynamical infrared mass scale. In this model, where the dynamical gluon mass is the natural regulator for the tree level gluon-gluon scattering, the gamma p and gamma gamma total cross sections are derived from the pp and (p) over barp forward scattering amplitudes assuming vector meson dominance and the additive quark model. We show that the validity of the cross section factorization relation sigma(pp)/sigma(gamma p)=sigma(gamma p)/sigma(gamma gamma) is fulfilled depending on the Monte Carlo model used to unfold the hadronic gamma gamma cross section data, and we discuss in detail the case of sigma(gamma gamma -> hadrons) data with W-gamma gamma> 10 GeV unfolded by the Monte Carlo generators PYTHIA and PHOJET. The data seems to favor a mild dependence with the energy of the probability (P-had) that the photon interacts as a hadron.

Diffraction and an infrared finite gluon propagator

We discuss some phenomenological applications of an infrared finite gluon propagator characterized by a dynamically generated gluon mass. In particular we compute the effect of the dynamical gluon mass on pp and ${\bar{p}}p$ diffractive scattering. We also show how the data on gammap photoproduction and hadronic gg reactions can be derived from the pp and ${\bar{p}}p$ forward scattering amplitudes by assuming vector meson dominance and the additive quark model.

The Gerasimov-Drell-Hearn Sum Rule and the Spin Structure of the Proton

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Longitudinal and transverse spin asymmetries for inclusive jet production at mid-rapidity in polarized p+p collisions at root s=200 GeV

We report STAR measurements of the longitudinal double-spin asymmetry A(LL), the transverse singlespin asymmetry A(N), and the transverse double-spin asymmetries A(Sigma) and A(TT) for inclusive jet production at mid-rapidity in polarized p + p collisions at a center-of-mass energy of root s = 200 GeV. The data represent integrated luminosities of 7.6 pb(-1) with longitudinal polarization and 1.8 pb(-1) with transverse polarization, with 50%-55% beam polarization, and were recorded in 2005 and 2006. No evidence is found for the existence of statistically significant jet A(N), A(Sigma), or A(TT) at mid-rapidity. Recent model calculations indicate the A(N) results may provide new limits on the gluon Sivers distribution in the proton. The asymmetry A(LL) significantly improves the knowledge of gluon polarization in the nucleon.

Hydrogen production and consumption of organic acids by a phototrophic microbial consortium

Alternative fuel sources have been extensively studied. Hydrogen gas has gained attention because its combustion releases only water, and it can be produced by microorganisms using organic acids as substrates. The aim of this study was to enrich a microbial consortium of photosynthetic purple non-sulfur bacteria from an Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactor (UASB) using malate as carbon source. After the enrichment phase, other carbon sources were tested, such as acetate (30 mmol l(-1)), butyrate (17 mmol l(-1)), citrate (11 mmol l(-1)), lactate (23 mmol l(-1)) and malate (14.5 mmol l(-1)). The reactors were incubated at 30 degrees C under constant illumination by 3 fluorescent lamps (81 mu mol m(-2) s(-1)). The cumulative hydrogen production was 7.8, 9.0, 7.9, 5.6 and 13.9 mmol H-2 l(-1) culture for acetate, butyrate, citrate, lactate and malate, respectively. The maximum hydrogen yield was 0.6, 1.4, 0.7, 0.5 and 0.9 mmol H-2 mmol(-1) substrate for acetate, butyrate, citrate, lactate and malate, respectively. The consumption of substrates was 43% for acetate, 37% for butyrate, 100% for citrate, 49% for lactate and 100% for malate. Approximately 26% of the clones obtained from the Phototrophic Hydrogen-Producing Bacterial Consortium (PHPBC) were similar to Rhodobacter, Rhodospirillum and Rhodopseudomonas, which have been widely cited in studies of photobiological hydrogen production. Clones similar to the genus Sulfurospirillum (29% of the total) were also found in the microbial consortium. Copyright (C) 2012, Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Magnetic moments of the low-lying J(P)=1/2(-), 3/2(-) Lambda resonances within the framework of the chiral quark model

The magnetic moments of the low-lying spin-parity J(P) = 1/2(-), 3/2(-) Lambda resonances, like, for example, Lambda(1405) 1/2(-), Lambda(1520) 3/2(-), as well as their transition magnetic moments, are calculated using the chiral quark model. The results found are compared with those obtained from the nonrelativistic quark model and those of unitary chiral theories, where some of these states are generated through the dynamics of two hadron coupled channels and their unitarization.

Kohärente Photoproduktion von eta-Mesonen am Deuteron im Bereich der S 11 (1535)-Resonanz

Es wurden Rueckstreueffekte in der kohaerentenEta-Photoproduktion amDeuteron im Bereich der S11(1535)-Resonanz untersucht. Fuerdenelementaren Prozess am Deuteron wurde ein effektivesResonanzmodelleinschliesslich Borntermen verwendet. Die Resonanzparameterwurdenausschliesslich an den elementaren Mesonproduktionsprozessenfestgelegt. Bei der kohaerenten Eta-Photoproduktion amDeuteron wurdedie Stossnaeherung fuer die P11(1440)-, D13(1520)- undS11(1535)-Resonanz sowie Rueckstreueffekte undMesonaustauschstroemeberuecksichtigt. Die Rueckstreuung wird innerhalb einesgekoppelten-Kanal-Modells unter Beruecksichtigung derResonanzanregungbehandelt. Es ergibt sich eine Erhoehung des differentiellenWirkungsquerschnitts um etwa 5% durch die Rueckstreuung. InihrerSumme sind Zweiteilcheneffekte kleine Beitraege zurkohaerentenEta-Photoproduktion am Deuteron.

Photoproduktion neutraler Pionen am Proton mit linear polarisierten Photonen im Bereich der Delta(1232)-Resonanz

Hinweise auf die innere Struktur des Nukleons, dessenbeobachtbares Quadrupolmoment verschwindet, lassen sich u.a.durch die Untersuchung des N->Delta(1232)-Übergangsgewinnen. Dieser wird von der magnetischen Dipolanregung M1- einem Spinflip-Übergang - dominiert. In der Reaktion (gamma(lin. pol.) p -> p pi0) gelingt es mittels der Photonasymmetrie Sigma, das Signal der kleinen elektrischen Quadrupolamplitude E2 in einem Interferenztermmit der M1-Amplitude zu verstärken und das VerhältnisREM=E2/M1 des betrachteten Übergangs zu bestimmen. DieE2-Amplitude des N->Delta-Übergangs läßt auf eineDeformation des Nukleons und/oder der Delta-Resonanzschließen. Das zugehörige Experiment wurde am MainzerElektronenbeschleuniger MAMI durchgeführt. Durch kohärenteBremsstrahlung der Elektronen an einem Diamantradiatorstanden im Bereich der Delta(1232)-Resonanz linear polarisierte Photonen zur Verfügung. Insgesamt wurden reellePhotonen im Bereich Egamma=(200-790) MeV von derA2-Photonenmarkierungsanlage (Glasgow--Tagger)energiemarkiert. Mit dem Photonenspektrometer TAPS wurden die pi0-Mesonen über ihre beiden Zerfallsphotonennachgewiesen. Die gewählte Anordnung der 504BaF2-Einzelkristalle um ein Flüssigwasserstofftargeterlaubte den pi0-Nachweis im vollen Polarwinkelbereich. Die Datenbasis zur pi0-Photoproduktion am Proton konntehinsichtlich der Wirkungsquerschnitte und Photonasymmetriendurch Datenpunkte über den gesamten Polarwinkelbereichhinweg nachdrücklich erweitert werden.Eine weiterführende Multipolanalyse der neuen(Proton-pi0)-Daten ermöglichte im Energiebereich derDelta-Resonanz die Bestimmung der s- und p-WellenIsospinamplituden von E0+, M1-, E1+ und M1+.

Photoproduktion neutraler Pionen am Proton mit linear polarisierten Photonen im Bereich der Schwelle

Diese Arbeit beschreibt ein Experiment zur Photoproduktionneutraler Pionen am Proton im Schwellenbereich. DurchVerwendung linear polarisierter Photonen konnte neben dentotalen und differentiellen Wirkungsquerschnitten zum erstenMal die Photonasymmetrie nahe der Schwelle gemessen werden.Besonderes Interesse galt dem aus diesen physikalischenObservablen bestimmbaren s-Wellen-Multipol E0+ sowie der erstmaligen Bestimmung aller drei p-Wellen-KombinationenP1, P2 und P3 im Bereich der Schwelle.Das Experiment wurde 1995/1996 am ElektronenbeschleunigerMAMI (Mainzer Mikrotron) der Universität Mainz durchgeführt.Durch Verwendung eines Diamanten als Bremsstrahltarget fürdie Elektronen wurden über den Prozeß der kohärentenBremsstrahlung linear polarisierte Photonen erzeugt. DieEnergie der Photonen wurde über die Messung der Energie der gestreuten Elektronen in der MainzerPhotonenmarkierungsanlage bestimmt. Der Detektor TAPS, eineAnordnung aus 504 BaF2-Modulen, war um einFlüssigwasserstofftarget aufgebaut. In den Modulen wurdendie im Target produzierten neutralen Pionen über ihrenZerfall in zwei Photonen nachgewiesen.Die totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitte wurdenim Energiebereich zwischen der Schwelle von 144.7 MeV und168 MeV gemessen. Die erstmals gemessene Photonasymmetriefür 159.5 MeV ist positiv und hat einen Wert von+0.217+/-0.046 für einen Polarwinkel von 90 Grad. Der Multipol E0+ und die drei p-Wellen-Kombinationen wurden andie physikalischen Observablen über zwei unterschiedlicheMethoden angepaßt, die übereinstimmende Ergebnisselieferten. Die Vorhersagen der Niederenergietheoreme derchiralen Störungstheorie für P1 und P2 stimmen beiEinbeziehung der statistischen und systematischen Fehler mitden experimentellen Werten überein.

Aufbau des GDH-Experiments und Messung der Helizitätsabhängigkeit von gamma p p pi + pi- von der Schwelle bis 800 MeV

Das Experiment zur Überprüfung der Gerasimov-Drell-Hearn(GDH)-Summenregel am Mainzer Mikrotron diente zur Messunghelizitätsabhängiger Eigenschaften der Photoproduktion amProton. Hierbei konnten neben den totalen Photoabsorptionswirkungsquerschnitten auch Querschnitte partieller Kanäle der Einpion-, Zweipion- und Eta-Produktion bestimmt werden. Für die möglichen Doppel-Pion-Reaktionen sind zur Zeit nur wenig Information vorhanden. Daher sind die Reaktionsmechanismen der Doppel-Pion-Photoproduktion weitgehend noch unverstanden. Aus diesem Grund ist die Untersuchung weiterer Observablenerforderlich. Die Helizitätsabhängigkeit stellt eine solcheneue Observable dar und kann dadurch gemessen werden, daßein zirkular polarisiertes Photon mit einem longitudinalpolarisierten Nukleon wechselwirkt. Der Photonspin beträgt1 und der Fermionenspin des Nukleons beträgt 1/2.Die Spins koppeln zu 3/2 und 1/2. Dies liefert diehelizitätsabhängigen Wirkungsquerschnitte.Diese Dissertation beschreibt den Aufbau des Mainzer GDH-Experiments und die technische Realisation der Messung helizitätsabhängiger Photoabsorptionswirkungsquerschnitte. Die Helizitätsabhängigkeit der doppelt geladenen Doppel-Pion-Photoproduktion am Proton wurde anhand der gemessenen Daten untersucht. Diese Reaktion ist ein Zweistufenprozeß, wobei das angeregte Nukleon resonant oder nicht-resonant in die Endzustandsteilchen zerfällt. Durch die helizitätsabhängigen Daten wurden Freiheitsgradein der Doppel-Pion-Photoproduktion eingeschränkt, wodurch eine Verbesserung der Modelle der Gent-Mainz- und der Valencia-Gruppe ermöglicht wurde. Die im Rahmen dieser Arbeit ermittelten Daten haben zusätzlich eine Motivation für weitere Interpretationsansätze durch die genanntenTheoriegruppen geschaffen.

Aufbau des Crystal-Ball-Detektorsystems und Untersuchung der Helizitätsasymmetrie in gamma p p pi 0 pi 0

Seit Frühjahr 2004 wird der Crystal Ball-Detektor am Photonenstrahl des Mainzer Mikrotrons für Koinzidenzexperimente zur Untersuchung der Struktur der Nukleonen genutzt. Aufbau und Inbetriebnahme des Kalorimeters, insbesondere der neuen Detektorelektronik, bilden einen Schwerpunkt dieser Arbeit. Komponenten wurden neu konstruiert oder auf ihre Verwendbarkeit geprüft und nögenfalls modifiziert. Nach erfolgreichem Abschluss der Aufbauphase wurden Experimente zur Produktion von $pi$- und $eta$-Mesonen am Proton mit mehr als 2500 Stunden Strahlbetrieb durchgeführt. Den zweiten Schwerpunkt der Dissertation bildet die erstmalige Messung der Helizitätsasymmetrie I$^odot$ in der Photoproduktion zweier neutraler Pionen. Zum Verstädnis des Anregungsspektrums der Nukleonen müssen Experimente mit polarisierten Photonen und/oder polarisierten Targets durchgeführt werden. Da Modelle trotz unterschiedlicher Annahmen unpolarisiert gemessene Größen vergleichbar gut reproduzieren, ist die Bestimmung der auf Modellunterschiede empfindlichen Polarisationsobservablen unumgäglich. Im Gegensatz zur Einpionproduktion tritt in der Zweipionproduktion eine Einfachpolarisationsobservable auf, die mit zirkular polarisierten Photonen am unpolarisierten Proton gemessen werden kann. Diese wurde in der Reaktion $gamma$ p $rightarrow$ p $pi^0$ $pi^0$ und in $gamma$ p $rightarrow$ p $pi^+$ $pi^-$ energie- und winkelabhägig bestimmt. Die Ergebnisse weichen stark von den Modellvorhersagen ab.