Quantum Einstein gravity - advancements of heat kernel-based renormalization group studies

The asymptotic safety scenario allows to define a consistent theory of quantized gravity within the framework of quantum field theory. The central conjecture of this scenario is the existence of a non-Gaussian fixed point of the theory's renormalization group flow, that allows to formulate renormalization conditions that render the theory fully predictive. Investigations of this possibility use an exact functional renormalization group equation as a primary non-perturbative tool. This equation implements Wilsonian renormalization group transformations, and is demonstrated to represent a reformulation of the functional integral approach to quantum field theory.rnAs its main result, this thesis develops an algebraic algorithm which allows to systematically construct the renormalization group flow of gauge theories as well as gravity in arbitrary expansion schemes. In particular, it uses off-diagonal heat kernel techniques to efficiently handle the non-minimal differential operators which appear due to gauge symmetries. The central virtue of the algorithm is that no additional simplifications need to be employed, opening the possibility for more systematic investigations of the emergence of non-perturbative phenomena. As a by-product several novel results on the heat kernel expansion of the Laplace operator acting on general gauge bundles are obtained.rnThe constructed algorithm is used to re-derive the renormalization group flow of gravity in the Einstein-Hilbert truncation, showing the manifest background independence of the results. The well-studied Einstein-Hilbert case is further advanced by taking the effect of a running ghost field renormalization on the gravitational coupling constants into account. A detailed numerical analysis reveals a further stabilization of the found non-Gaussian fixed point.rnFinally, the proposed algorithm is applied to the case of higher derivative gravity including all curvature squared interactions. This establishes an improvement of existing computations, taking the independent running of the Euler topological term into account. Known perturbative results are reproduced in this case from the renormalization group equation, identifying however a unique non-Gaussian fixed point.rn

Scale bridging concepts in molecular simulation : coarse-graining and thermodynamic coupling

In dieser Arbeit wurden Simulation von Flüssigkeiten auf molekularer Ebene durchgeführt, wobei unterschiedliche Multi-Skalen Techniken verwendet wurden. Diese erlauben eine effektive Beschreibung der Flüssigkeit, die weniger Rechenzeit im Computer benötigt und somit Phänomene auf längeren Zeit- und Längenskalen beschreiben kann.rnrnEin wesentlicher Aspekt ist dabei ein vereinfachtes (“coarse-grained”) Modell, welches in einem systematischen Verfahren aus Simulationen des detaillierten Modells gewonnen wird. Dabei werden ausgewählte Eigenschaften des detaillierten Modells (z.B. Paar-Korrelationsfunktion, Druck, etc) reproduziert.rnrnEs wurden Algorithmen untersucht, die eine gleichzeitige Kopplung von detaillierten und vereinfachten Modell erlauben (“Adaptive Resolution Scheme”, AdResS). Dabei wird das detaillierte Modell in einem vordefinierten Teilvolumen der Flüssigkeit (z.B. nahe einer Oberfläche) verwendet, während der Rest mithilfe des vereinfachten Modells beschrieben wird.rnrnHierzu wurde eine Methode (“Thermodynamische Kraft”) entwickelt um die Kopplung auch dann zu ermöglichen, wenn die Modelle in verschiedenen thermodynamischen Zuständen befinden. Zudem wurde ein neuartiger Algorithmus der Kopplung beschrieben (H-AdResS) der die Kopplung mittels einer Hamilton-Funktion beschreibt. In diesem Algorithmus ist eine zur Thermodynamischen Kraft analoge Korrektur mit weniger Rechenaufwand möglich.rnrnAls Anwendung dieser grundlegenden Techniken wurden Pfadintegral Molekulardynamik (MD) Simulationen von Wasser untersucht. Mithilfe dieser Methode ist es möglich, quantenmechanische Effekte der Kerne (Delokalisation, Nullpunktsenergie) in die Simulation einzubeziehen. Hierbei wurde zuerst eine Multi-Skalen Technik (“Force-matching”) verwendet um eine effektive Wechselwirkung aus einer detaillierten Simulation auf Basis der Dichtefunktionaltheorie zu extrahieren. Die Pfadintegral MD Simulation verbessert die Beschreibung der intra-molekularen Struktur im Vergleich mit experimentellen Daten. Das Modell eignet sich auch zur gleichzeitigen Kopplung in einer Simulation, wobei ein Wassermolekül (beschrieben durch 48 Punktteilchen im Pfadintegral-MD Modell) mit einem vereinfachten Modell (ein Punktteilchen) gekoppelt wird. Auf diese Weise konnte eine Wasser-Vakuum Grenzfläche simuliert werden, wobei nur die Oberfläche im Pfadintegral Modell und der Rest im vereinfachten Modell beschrieben wird.

Highly accurate quantum chemistry : spin-orbit splittings via multireference coupled-cluster methods and applications in heavy-atom main-group chemistry

Diese Dissertation demonstriert und verbessert die Vorhersagekraft der Coupled-Cluster-Theorie im Hinblick auf die hochgenaue Berechnung von Moleküleigenschaften. Die Demonstration erfolgt mittels Extrapolations- und Additivitätstechniken in der Single-Referenz-Coupled-Cluster-Theorie, mit deren Hilfe die Existenz und Struktur von bisher unbekannten Molekülen mit schweren Hauptgruppenelementen vorhergesagt wird. Vor allem am Beispiel von cyclischem SiS_2, einem dreiatomigen Molekül mit 16 Valenzelektronen, wird deutlich, dass die Vorhersagekraft der Theorie sich heutzutage auf Augenhöhe mit dem Experiment befindet: Theoretische Überlegungen initiierten eine experimentelle Suche nach diesem Molekül, was schließlich zu dessen Detektion und Charakterisierung mittels Rotationsspektroskopie führte. Die Vorhersagekraft der Coupled-Cluster-Theorie wird verbessert, indem eine Multireferenz-Coupled-Cluster-Methode für die Berechnung von Spin-Bahn-Aufspaltungen erster Ordnung in 2^Pi-Zuständen entwickelt wird. Der Fokus hierbei liegt auf Mukherjee's Variante der Multireferenz-Coupled-Cluster-Theorie, aber prinzipiell ist das vorgeschlagene Berechnungsschema auf alle Varianten anwendbar. Die erwünschte Genauigkeit beträgt 10 cm^-1. Sie wird mit der neuen Methode erreicht, wenn Ein- und Zweielektroneneffekte und bei schweren Elementen auch skalarrelativistische Effekte berücksichtigt werden. Die Methode eignet sich daher in Kombination mit Coupled-Cluster-basierten Extrapolations-und Additivitätsschemata dafür, hochgenaue thermochemische Daten zu berechnen.

Quantum solitons in the XXZ model with staggered external magnetic field

The 1-D 1/2-spin XXZ model with staggered external magnetic field, when restricting to low field, can be mapped into the quantum sine-Gordon model through bosonization: this assures the presence of soliton, antisoliton and breather excitations in it. In particular, the action of the staggered field opens a gap so that these physical objects are stable against energetic fluctuations. In the present work, this model is studied both analytically and numerically. On the one hand, analytical calculations are made to solve exactly the model through Bethe ansatz: the solution for the XX + h staggered model is found first by means of Jordan-Wigner transformation and then through Bethe ansatz; after this stage, efforts are made to extend the latter approach to the XXZ + h staggered model (without finding its exact solution). On the other hand, the energies of the elementary soliton excitations are pinpointed through static DMRG (Density Matrix Renormalization Group) for different values of the parameters in the hamiltonian. Breathers are found to be in the antiferromagnetic region only, while solitons and antisolitons are present both in the ferromagnetic and antiferromagnetic region. Their single-site z-magnetization expectation values are also computed to see how they appear in real space, and time-dependent DMRG is employed to realize quenches on the hamiltonian parameters to monitor their time-evolution. The results obtained reveal the quantum nature of these objects and provide some information about their features. Further studies and a better understanding of their properties could bring to the realization of a two-level state through a soliton-antisoliton pair, in order to implement a qubit.

Quantenchemische Behandlung von elektronischem Energietransfer

Im Rahmen dieser Dissertation wurden quantenchemische Untersuchungen zum Phänomen des elektronischen Energietransfers durchgeführt. Zum einen wurden theoretische Modelle zur Berücksichtigung temperaturabhängiger Elektron-Phonon-Kopplung in vibronischen Spektren ausgearbeitet und numerischen Tests unterzogen. Zum anderen erfolgte die Bestimmung molekularer Eigenschaften bichromophorer Systeme unter Anwendung etablierter Rechenmethoden. Im Fokus stehen das Zusammenspiel elektronischer Kopplung und statischer Unordnung sowie Energietransferzeiten und der Einfluss molekularer Brücken in Dimeren auf die Kopplung. Da sich elektronischer Energietransfer spektroskopisch nachweisen lässt, wurden temperaturabhängige Simulationen der Linienform von vibronischen Übergängen, die an ein Wärmebad ankoppeln, durchgeführt. Die erforderliche Antwortfunktion zur Bestimmung der spektralen Linienform kann aus einer Kumulantenentwicklung und alternativ aus der Multi-Level Redfieldtheorie abgeleitet werden. Statt der genäherten Schwingungsstruktur des Brownschen Oszillatormodells wurde eine explizit berechnete Zustandsdichte als Ausgangspunkt verwendet. Sowohl reine Elektron-Phonon- als auch Schwingung-Phonon-Kopplung werden für verschiedene Spektraldichten der Badmoden diskutiert. Im Zuge eines Kooperationsprojekts führten wir Untersuchungen zur elektronischen Kopplung an einer homologen Reihe von Rylendimeren mit unterschiedlichen Brückenlängen durch. Zu diesem Zweck wurden Ergebnisse aus Tieftemperatureinzelmolekülmessungen und quantenchemischen Berechnungen auf Grundlage des vibronischen Kopplungsmodells herangezogen und ausgewertet. Die untersuchten Dimere zeigen einen Übergang vom Grenzfall starker Kopplung hin zu schwacher Kopplung und die mittleren Energietransferzeiten konnten in guter Übereinstimmung mit experimentellen Messwerten berechnet werden. Da eine molekulare Brücke zwischen Donor- und Akzeptoreinheit die elektronische Kopplung modifiziert, kann sie sich störend auf experimentelle Messungen auswirken. Daher wurde untersucht, ob das interchromophore Kopplungsverhalten vorwiegend durch die Polarisierbarkeit des verbrückenden Elements oder durch bindungsvermittelte Wechselwirkungen beeinflusst wird und welche Brückentypen sich folglich für experimentelle Studien eignen. Sämtliche untersuchten Brückenelemente führten zu einer Vergrößerung der elektronischen Kopplung und die Kopplungsstärke wurde maßgeblich durch brückenvermittelte Wechselwirkungen bestimmt.

Neuartige kryogene Penning-Falle für den Nachweis von Spin-Übergängen eines Protons und Bestimmung seines g-Faktors

In dieser Arbeit wird der Entwurf, der Aufbau, die Inbetriebnahme und die Charakterisierung einer neuartigen Penning-Falle im Rahmen des Experiments zur Bestimmung des g-Faktors des Protons präsentiert. Diese Falle zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien eines äußeren homogenen Magnetfeldes durch eine ferromagnetische Ringelektrode im Zentrum der Falle verzerrt werden. Der inhomogene Anteil des resultierenden Magnetfeldes, die sogenannte magnetische Flasche, lässt sich durch den Koeffizient B2 = 297(10) mT/mm2 des Terms zweiter Ordnung der Ortsabhängigkeit des Feldes quantifizieren. Eine solche ungewöhnlich starke Feldinhomogenität ist Grundvoraussetzung für den Nachweis der Spinausrichtung des Protons mittels des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effektes. Dieser Effekt basiert auf der im inhomogenen Magnetfeld entstehenden Kopplung des Spin-Freiheitsgrades des gefangenen Protons an eine seiner Eigenfrequenzen. Ein Spin-Übergang lässt sich so über einen Frequenzsprung detektieren. Dabei ist die nachzuweisende Änderung der Frequenz proportional zu B2 und zum im Fall des Protons extrem kleinen Verhältnis zwischen seinem magnetischen Moment nund seiner Masse. Die durch die benötigte hohe Inhomogenität des Magnetfeldes bedingten technischen Herausforderungen erfordern eine fundierte Kenntnis und Kontrolle der Eigenschaften der Penning-Falle sowie der experimentellen Bedingungen. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Penning-Falle ermöglichte den erstmaligen zerstörungsfreien Nachweis von Spin-Quantensprüngen eines einzelnen gefangenen Protons, was einen Durchbruch für das Experiment zur direkten Bestimmung des g-Faktors mit der angestrebten relativen Genauigkeit von 10−9 darstellte. Mithilfe eines statistischen Verfahrens ließen sich die Larmor- und die Zyklotronfrequenz des Protons im inhomogenen Magnetfeld der Falle ermitteln. Daraus wurde der g-Faktor mit einer relativen Genauigkeit von 8,9 × 10−6 bestimmt. Die hier vorgestellten Messverfahren und der experimentelle Aufbau können auf ein äquivalentes Experiment zur Bestimmung des g-Faktors des Antiprotons zum Erreichen der gleichen Messgenauigkeit übertragen werden, womit der erste Schritt auf dem Weg zu einem neuen zwingenden Test der CPT-Symmetrie im baryonischen Sektor gemacht wäre.

Dynamical Casimir effect and the structure of vacuum in quantum field theory

Some of the most interesting phenomena that arise from the developments of the modern physics are surely vacuum fluctuations. They appear in different branches of physics, such as Quantum Field Theory, Cosmology, Condensed Matter Physics, Atomic and Molecular Physics, and also in Mathematical Physics. One of the most important of these vacuum fluctuations, sometimes called "zero-point energy", as well as one of the easiest quantum effect to detect, is the so-called Casimir effect. The purposes of this thesis are: - To propose a simple retarded approach for dynamical Casimir effect, thus a description of this vacuum effect when we have moving boundaries. - To describe the behaviour of the force acting on a boundary, due to its self-interaction with the vacuum.

Reliability, construct and criterion validity of the KIDSCREEN-10 score: a short measure for children and adolescents' well-being and health-related quality of life

Background To assess the criterion and construct validity of the KIDSCREEN-10 well-being and health-related quality of life (HRQoL) score, a short version of the KIDSCREEN-52 and KIDSCREEN-27 instruments. Methods The child self-report and parent report versions of the KIDSCREEN-10 were tested in a sample of 22,830 European children and adolescents aged 8–18 and their parents (n = 16,237). Correlation with the KIDSCREEN-52 and associations with other generic HRQoL measures, physical and mental health, and socioeconomic status were examined. Score differences by age, gender, and country were investigated. Results Correlations between the 10-item KIDSCREEN score and KIDSCREEN-52 scales ranged from r = 0.24 to 0.72 (r = 0.27–0.72) for the self-report version (proxy-report version). Coefficients below r = 0.5 were observed for the KIDSCREEN-52 dimensions Financial Resources and Being Bullied only. Cronbach alpha was 0.82 (0.78), test–retest reliability was ICC = 0.70 (0.67) for the self- (proxy-)report version. Correlations between other children self-completed HRQoL questionnaires and KIDSCREEN-10 ranged from r = 0.43 to r = 0.63 for the KIDSCREEN children self-report and r = 0.22–0.40 for the KIDSCREEN parent proxy report. Known group differences in HRQoL between physically/mentally healthy and ill children were observed in the KIDSCREEN-10 self and proxy scores. Associations with self-reported psychosomatic complaints were r = −0.52 (−0.36) for the KIDSCREEN-10 self-report (proxy-report). Statistically significant differences in KIDSCREEN-10 self and proxy scores were found by socioeconomic status, age, and gender. Conclusions Our results indicate that the KIDSCREEN-10 provides a valid measure of a general HRQoL factor in children and adolescents, but the instrument does not represent well most of the single dimensions of the original KIDSCREEN-52. Test–retest reliability was slightly below a priori defined thresholds.

Continuous intrathecal glyceryl trinitrate prevents delayed cerebral vasospasm in the single-SAH rabbit model in vivo

Delayed cerebral vasospasm after aneurysmal subarachnoid hemorrhage (SAH) is a major cause of high morbidity and mortality. The reduced availability of nitric oxide (NO) in blood and cerebrospinal fluid (CSF) is well established as a key mechanism of vasospasm. Systemic administration of glyceryl trinitrate (GTN), an NO donor also known as nitroglycerin, has failed to be established in clinical settings to prevent vasospasm because of its adverse effects, particularly hypotension. The purpose of this study was to analyze the effect of intrathecally administered GTN on vasospasm after experimental SAH in the rabbit basilar artery.

Further Quantum Mechanical Evidence that Difluorotoluene does not Hydrogen Bond

Calculations were run on the methylated DNA base pairs adenine:thymine and adenine:difluorotoluene to further investigate the hydrogen-bonding properties of difluorotoluene (F). Geometries were optimized using hybrid density functional theory. Single-point calculations at the MP2(full) level were performed to obtain more rigorous energies. The functional counterpoise method was used to correct for the basis set superposition error (BSSE), and the interaction energies were also corrected for fragment relaxation. These corrections brought the B3LYP and MP2 interaction energies into excellent agreement. In the gas phase, the Gibbs free energies calculated at the B3LYP and MP2 levels of theory predict that A and T will spontaneously form an A:T pair while A:F spontaneously dissociates into A and F. Solvation effects on the pairing of the bases were explored using implicit solvent models for water and chloroform. In aqueous solution, both A:T and A:F are predicted to dissociate into their component monomers. Semiempirical calculations were performed on small sections of B-form DNA containing the two pairs, and the results provide support for the concept that base stacking is more important than hydrogen bonding for the stability of the A:F pair within a DNA helix.

Quantum Mechnical Investion of Cyclic 3',5'- Adenosine Monophosphate, the Second Hormonal Messenger

Full geometry optimizations using the PM3, AM1, 3-21G∗/HF and 6-31G∗/HF levels of theory were conducted on the syn and anti conformations of cyclic3′,5′-adenosine monophosphate (cAMP). Comparison of the anti crystal structures with the semiempirical and ab initio results revealed that the ab initio results agree well with the experimental results. The results of semiempirical calculations are in qualitative agreement with experimental and ab initio values, with the exception of the glycosyl torsion angle for the anti conformer. Sugar puckering, which is not handled properly by semiempirical methods for unconstrained sugars, nucleosides, nucleotides and nucleotide base pairs, is modeled reasonably well by the semiempirical methods for cAMP. This improvement results from the constraints introduced by the cyclization of AMP to form the phosphodiester.

Quantum-Mechanical Investigation of Large Water Clusters

The PM3 quantum-mechanical method has been used to study large water clusters ranging from 8 to 42 water molecules. These large clusters are built from smaller building blocks. The building blocks include cyclic tetramers, pentamers, octamers, and a pentagonal dodecahedron cage. The correlations between the strain energy resulting from bending of the hydrogen bonds formed by different cluster motifs and the number of waters involved in the cluster are discussed. The PM3 results are compared with TIP4P potential and ab initio results. The number of net hydrogen bonds per water increases with the cluster size. This places a limit on the size of clusters that would fit the Benson model of liquid water. Many of the 20-mer clusters fit the Benson model well. Calculations of the ion cluster (H20)4o(H30+)2 reveal that the m/e ratio obtainable by mass spectrometry experiments can uniquely indicate the conformation of the 20 water pentagonal dodecahedron cage present in the larger clusters.

Importance of 3D-CT imaging in single-bullet cranioencephalic gunshot wounds

PURPOSE: The aim of this paper is to demonstrate that computed tomography (CT) and three-dimensional (3D) CT imaging techniques can be useful tools for evaluating gunshot wounds of the skull in forensic medicine. Three purposes can be achieved: (1) identifying and recognising the bullet entrance wound - and exit wound, if present; (2) recognising the bullet's intracranial course by studying damage to bone and brain tissue; (3) suggesting hypotheses as to the dynamics of the event. MATERIALS AND METHODS: Ten cadavers of people who died of a fatal head injury caused by a single gunshot were imaged with total-body CT prior to conventional autoptic examination. Three-dimensional-CT reconstructions were obtained with the volume-rendering technique, and data were analysed by two independent observers and compared with autopsy results. RESULTS: In our experience, CT analysis and volumetric reconstruction techniques allowed the identification of the bullet entrance and exit wounds and intracranial trajectory, as well as helping to formulate a hypothesis on the extracranial trajectory to corroborate circumstantial evidence. CONCLUSIONS: CT imaging techniques are excellent tools for addressing the most important questions of forensic medicine in the case of gunshot wounds of the skull, with results as good as (or sometimes better than) traditional autoptic methods.

Inhibition of the Nef regulatory protein of HIV-1 by a single-domain antibody

The Nef protein of HIV-1 is important for AIDS pathogenesis, but it is not targeted by current antiviral strategies. Here, we describe a single-domain antibody (sdAb) that binds to HIV-1 Nef with a high affinity (K(d) = 2 × 10(-9)M) and inhibited critical biologic activities of Nef both in vitro and in vivo. First, it interfered with the CD4 down-regulation activity of a broad panel of nef alleles through inhibition of the Nef effects on CD4 internalization from the cell surface. Second, it was able to interfere with the association of Nef with the cellular p21-activated kinase 2 as well as with the resulting inhibitory effect of Nef on actin remodeling. Third, it counteracted the Nef-dependent enhancement of virion infectivity and inhibited the positive effect of Nef on virus replication in peripheral blood mononuclear cells. Fourth, anti-Nef sdAb rescued Nef-mediated thymic CD4(+) T-cell maturation defects and peripheral CD4(+) T-cell activation in the CD4C/HIV-1(Nef) transgenic mouse model. Because all these Nef functions have been implicated in Nef effects on pathogenesis, this anti-Nef sdAb may represent an efficient tool to elucidate the molecular functions of Nef in the virus life cycle and could now help to develop new strategies for the control of AIDS.

Single-cell gene-expression profiling reveals qualitatively distinct CD8 T cells elicited by different gene-based vaccines

CD8 T cells play a key role in mediating protective immunity against selected pathogens after vaccination. Understanding the mechanism of this protection is dependent upon definition of the heterogeneity and complexity of cellular immune responses generated by different vaccines. Here, we identify previously unrecognized subsets of CD8 T cells based upon analysis of gene-expression patterns within single cells and show that they are differentially induced by different vaccines. Three prime-boost vector combinations encoding HIV Env stimulated antigen-specific CD8 T-cell populations of similar magnitude, phenotype, and functionality. Remarkably, however, analysis of single-cell gene-expression profiles enabled discrimination of a majority of central memory (CM) and effector memory (EM) CD8 T cells elicited by the three vaccines. Subsets of T cells could be defined based on their expression of Eomes, Cxcr3, and Ccr7, or Klrk1, Klrg1, and Ccr5 in CM and EM cells, respectively. Of CM cells elicited by DNA prime-recombinant adenoviral (rAd) boost vectors, 67% were Eomes(-) Ccr7(+) Cxcr3(-), in contrast to only 7% and 2% stimulated by rAd5-rAd5 or rAd-LCMV, respectively. Of EM cells elicited by DNA-rAd, 74% were Klrk1(-) Klrg1(-)Ccr5(-) compared with only 26% and 20% for rAd5-rAd5 or rAd5-LCMV. Definition by single-cell gene profiling of specific CM and EM CD8 T-cell subsets that are differentially induced by different gene-based vaccines will facilitate the design and evaluation of vaccines, as well as enable our understanding of mechanisms of protective immunity.