Black hole formation with an interacting vacuum energy density

We discuss the gravitational collapse of a spherically symmetric massive core of a star in which the fluid component is interacting with a growing vacuum energy density. The influence of the variable vacuum in the collapsing core is quantified by a phenomenological beta parameter as predicted by dimensional arguments and the renormalization group approach. For all reasonable values of this free parameter, we find that the vacuum energy density increases the collapsing time, but it cannot prevent the formation of a singular point. However, the nature of the singularity depends on the value of beta. In the radiation case, a trapped surface is formed for beta <= 1/2, whereas for beta >= 1/2, a naked singularity is developed. In general, the critical value is beta = 1-2/3(1 + omega) where omega is the parameter describing the equation of state of the fluid component.

Universal behavior of the Shannon mutual information of critical quantum chains

We consider the Shannon mutual information of subsystems of critical quantum chains in their ground states. Our results indicate a universal leading behavior for large subsystem sizes. Moreover, as happens with the entanglement entropy, its finite-size behavior yields the conformal anomaly c of the underlying conformal field theory governing the long-distance physics of the quantum chain. We study analytically a chain of coupled harmonic oscillators and numerically the Q-state Potts models (Q = 2, 3, and 4), the XXZ quantum chain, and the spin-1 Fateev-Zamolodchikov model. The Shannon mutual information is a quantity easily computed, and our results indicate that for relatively small lattice sizes, its finite-size behavior already detects the universality class of quantum critical behavior.

Supersymmetric Dark Matter : aspects of sfermion coannihilations

There is very strong evidence that ordinary matter in the Universe is outweighed by almost ten times as much so-called dark matter. Dark matter does neither emit nor absorb light and we do not know what it is. One of the theoretically favoured candidates is a so-called neutralino from the supersymmetric extension of the Standard Model of particle physics. A theoretical calculation of the expected cosmic neutralino density must include the so-called coannihilations. Coannihilations are particle processes in the early Universe with any two supersymmetric particles in the initial state and any two Standard Model particles in the final state. In this thesis we discuss the importance of these processes for the calculation of the relic density. We will go through some details in the calculation of coannihilations with one or two so-called sfermions in the initial state. This includes a discussion of Feynman diagrams with clashing arrows, a calculation of colour factors and a discussion of ghosts in non-Abelian field theory. Supersymmetric models contain a large number of free parameters on which the masses and couplings depend. The requirement, that the predicted density of cosmic neutralinos must agree with the density observed for the unknown dark matter, will constrain the parameters. Other constraints come from experiments which are not related to cosmology. For instance, the supersymmetric loop contribution to the rare b -> sγ decay should agree with the measured branching fraction. The principles of the calculation of the rare decay are discussed in this thesis. Also on-going and planned searches for cosmic neutralinos can constrain the parameters. In one of the accompanying papers in the thesis we compare the detection prospects for several current and future searches for neutralino dark matter.

Zusammenhang zwischen der Einzelkettendynamik und der Dynamik von Konzentrationsfluktuationen in mehrkomponentigen Polymersystemen

Zusammmenfassung:Um Phasenseparation in binären Polymermischungen zuuntersuchen, werden zwei dynamische Erweiterungen der selbstkonsistenten Feldtheorie (SCFT)entwickelt. Die erste Methode benutzt eine zeitliche Entwicklung der Dichten und wird dynamische selbstkonsistente Feldtheorie (DSCFT) genannt, während die zweite Methode die zeitliche Propagation der effektiven äußeren Felder der SCFT ausnutzt. Diese Methode wird mit External Potential Dynamics (EPD) bezeichnet. Für DSCFT werden kinetische Koeffizienten verwendet, die entweder die lokale Dynamik von Punktteilchen oder die nichtlokale Dynamik von Rouse'schen Polymeren nachbilden. Die EPD-Methode erzeugt mit einem konstanten kinetischen Koeffizienten die Dynamik von Rouse'schen Ketten und benötigt weniger Rechenzeit als DSCFT. Diese Methoden werden für verschiedene Systeme angewendet.Zuerst wird spinodale Entmischung im Volumen untersucht,wobei der Unterschied zwischen lokaler und nichtlokalerDynamik im Mittelpunkt steht. Um die Gültigkeit derErgebnisse zu überprüfen, werden Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt. In Polymermischungen, die von zwei Wänden, die beide die gleiche Sorte Polymere bevorzugen, eingeschränkt werden, wird die Bildung von Anreicherungsschichten an den Wänden untersucht. Für dünne Polymerfilme zwischen antisymmetrischen Wänden, d.h. jede Wand bevorzugt eine andere Polymerspezies, wird die Spannung einer parallel zu den Wänden gebildeten Grenzfläche analysiert und der Phasenübergang von einer anfänglich homogenen Mischung zur lokalisierten Phase betrachtet. Des Weiteren wird die Dynamik von Kapillarwellenmoden untersucht.

Monte-Carlo-Simulationen zum Phasenverhalten binärer Polymerbürsten

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Strukturbildung im schlechten Lösungsmittel bei ein- und zweikomponentigen Polymerbürsten, bei denen Polymerketten durch Pfropfung am Substrat verankert sind. Solche Systeme zeigen laterale Strukturbildungen, aus denen sich interessante Anwendungen ergeben. Die Bewegung der Polymere erfolgt durch Monte Carlo-Simulationen im Kontinuum, die auf CBMC-Algorithmen sowie lokalen Monomerverschiebungen basieren. Eine neu entwickelte Variante des CBMC-Algorithmus erlaubt die Bewegung innerer Kettenteile, da der bisherige Algorithmus die Monomere in Nähe des Pfropfmonomers nicht gut relaxiert. Zur Untersuchung des Phasenverhaltens werden mehrere Analysemethoden entwickelt und angepasst: Dazu gehören die Minkowski-Maße zur Strukturuntersuchung binären Bürsten und die Pfropfkorrelationen zur Untersuchung des Einflusses von Pfropfmustern. Bei einkomponentigen Bürsten tritt die Strukturbildung nur beim schwach gepfropften System auf, dichte Pfropfungen führen zu geschlossenen Bürsten ohne laterale Struktur. Für den graduellen Übergang zwischen geschlossener und aufgerissener Bürste wird ein Temperaturbereich bestimmt, in dem der Übergang stattfindet. Der Einfluss des Pfropfmusters (Störung der Ausbildung einer langreichweitigen Ordnung) auf die Bürstenkonfiguration wird mit den Pfropfkorrelationen ausgewertet. Bei unregelmäßiger Pfropfung sind die gebildeten Strukturen größer als bei regelmäßiger Pfropfung und auch stabiler gegen höhere Temperaturen. Bei binären Systemen bilden sich Strukturen auch bei dichter Pfropfung aus. Zu den Parametern Temperatur, Pfropfdichte und Pfropfmuster kommt die Zusammensetzung der beiden Komponenten hinzu. So sind weitere Strukturen möglich, bei gleicher Häufigkeit der beiden Komponenten bilden sich streifenförmige, lamellare Muster, bei ungleicher Häufigkeit formt die Minoritätskomponente Cluster, die in der Majoritätskomponente eingebettet sind. Selbst bei gleichmäßig gepfropften Systemen bildet sich keine langreichweitige Ordnung aus. Auch bei binären Bürsten hat das Pfropfmuster großen Einfluss auf die Strukturbildung. Unregelmäßige Pfropfmuster führen schon bei höheren Temperaturen zur Trennung der Komponenten, die gebildeten Strukturen sind aber ungleichmäßiger und etwas größer als bei gleichmäßig gepfropften Systemen. Im Gegensatz zur self consistent field-Theorie berücksichtigen die Simulationen Fluktuationen in der Pfropfung und zeigen daher bessere Übereinstimmungen mit dem Experiment.

Regularisierung und Renormierung in der Quantenfeldtheorie : Resultate aus dem Vergleich konsistenter und praktikabler Methoden

Die Arbeit beginnt mit dem Vergleich spezieller Regularisierungsmethoden in der Quantenfeldtheorie mit dem Verfahren zur störungstheoretischen Konstruktion der S-Matrix nach Epstein und Glaser. Da das Epstein-Glaser-Verfahren selbst als Regularisierungsverfahren verwandt werden kann und darüberhinaus ausschließlich auf physikalisch motivierten Postulaten basiert, liefert dieser Vergleich ein Kriterium für die Zulässigkeit anderer Regularisierungsmethoden. Zusätzlich zur Herausstellung dieser Zulässigkeit resultiert aus dieser Gegenüberstellung als weiteres wesentliches Resultat ein neues, in der Anwendung praktikables sowie konsistentes Regularisierungsverfahren, das modifizierte BPHZ-Verfahren. Dieses wird anhand von Ein-Schleifen-Diagrammen aus der QED (Elektronselbstenergie, Vakuumpolarisation und Vertexkorrektur) demonstriert. Im Gegensatz zur vielverwandten Dimensionalen Regularisierung ist dieses Verfahren uneingeschränkt auch für chirale Theorien anwendbar. Als Beispiel hierfür dient die Berechnung der im Rahmen einer axialen Erweiterung der QED-Lagrangedichte auftretenden U(1)-Anomalie. Auf der Stufe von Mehr-Schleifen-Diagrammen zeigt der Vergleich der Epstein-Glaser-Konstruktion mit dem bekannten BPHZ-Verfahren an mehreren Beispielen aus der Phi^4-Theorie, darunter das sog. Sunrise-Diagramm, daß zu deren Berechnung die nach der Waldformel des BPHZ-Verfahrens zur Regularisierung beitragenden Unterdiagramme auf eine kleinere Klasse eingeschränkt werden können. Dieses Resultat ist gleichfalls für die Praxis der Regularisierung bedeutsam, da es bereits auf der Stufe der zu berücksichtigenden Unterdiagramme zu einer Vereinfachung führt.

The relation between geometry and matter in classical and quantum gravity and cosmology

The present thesis is divided into two main research areas: Classical Cosmology and (Loop) Quantum Gravity. The first part concerns cosmological models with one phantom and one scalar field, that provide the `super-accelerated' scenario not excluded by observations, thus exploring alternatives to the standard LambdaCDM scenario. The second part concerns the spinfoam approach to (Loop) Quantum Gravity, which is an attempt to provide a `sum-over-histories' formulation of gravitational quantum transition amplitudes. The research here presented focuses on the face amplitude of a generic spinfoam model for Quantum Gravity.

Rod-coil copolymer structures

Skalenargumente werden verwendet, um Rod-Coil Copolymere mit fester Zusammensetzung von steifen Stäbchen und flexiblen Ketten zu studieren. In einem selektiven Lösungsmittel, in dem sich nur die Ketten lösen, bildet ein Rod-Coil Multiblock zylinderförmige Micellen aus aggregierten Stäbchen verbunden durch Kettenstücke. Die Stäbchen aggregieren, um Energie zu gewinnen. Dieser Prozeß wird durch den Entropieverlust der flexiblen Ketten ausgeglichen. Das Adsorptionsverhalten von Aggregaten aus parallel aneinandergelagerten, einzelnen Rod-Coil Diblöcken in selektivem Lösungsmittel wird anhand von erweiterten Skalenbetrachtungen diskutiert. Wenn ein solches Aggregat mit den Stäbchen parallel zur Oberfläche adsorbiert, verschieben sich die Stäbchen gegeneinander. Zusätzlich werden die Stabilität der adsorbierten Aggregate und andere mögliche Konfigurationen untersucht. Um einen Rod-Coil Multiblock mit variabler Zusammensetzung zu studieren, wird eine Feldtheorie entwickelt. Jedes Segment kann entweder steif oder flexibel sein. Das System zeigt drei Phasenzustände, offene Kette, amorphe Globule und flüssig-kristalline Globule. Beim Übergang von amorpher zu flüssig-kristalliner Globule steigt der Anteil an steifen Segmenten rapide an. Dieser Übergang wird durch die isotrope Wechselwirkung zwischen den steifen Segmenten und die anisotrope Oberflächenenergie der Globule verursacht.

Numerical and analytical approaches to strongly correlated electron systems

In this thesis we consider three different models for strongly correlated electrons, namely a multi-band Hubbard model as well as the spinless Falicov-Kimball model, both with a semi-elliptical density of states in the limit of infinite dimensions d, and the attractive Hubbard model on a square lattice in d=2. In the first part, we study a two-band Hubbard model with unequal bandwidths and anisotropic Hund's rule coupling (J_z-model) in the limit of infinite dimensions within the dynamical mean-field theory (DMFT). Here, the DMFT impurity problem is solved with the use of quantum Monte Carlo (QMC) simulations. Our main result is that the J_z-model describes the occurrence of an orbital-selective Mott transition (OSMT), in contrast to earlier findings. We investigate the model with a high-precision DMFT algorithm, which was developed as part of this thesis and which supplements QMC with a high-frequency expansion of the self-energy. The main advantage of this scheme is the extraordinary accuracy of the numerical solutions, which can be obtained already with moderate computational effort, so that studies of multi-orbital systems within the DMFT+QMC are strongly improved. We also found that a suitably defined Falicov-Kimball (FK) model exhibits an OSMT, revealing the close connection of the Falicov-Kimball physics to the J_z-model in the OSM phase. In the second part of this thesis we study the attractive Hubbard model in two spatial dimensions within second-order self-consistent perturbation theory. This model is considered on a square lattice at finite doping and at low temperatures. Our main result is that the predictions of first-order perturbation theory (Hartree-Fock approximation) are renormalized by a factor of the order of unity even at arbitrarily weak interaction (U->0). The renormalization factor q can be evaluated as a function of the filling n for 00, the q-factor vanishes, signaling the divergence of self-consistent perturbation theory in this limit. Thus we present the first asymptotically exact results at weak-coupling for the negative-U Hubbard model in d=2 at finite doping.

Fiber beam-columns models with flexure-shear interaction for nonlinear analysis of reinforced concrete structures

The aim of this study was to develop a model capable to capture the different contributions which characterize the nonlinear behaviour of reinforced concrete structures. In particular, especially for non slender structures, the contribution to the nonlinear deformation due to bending may be not sufficient to determine the structural response. Two different models characterized by a fibre beam-column element are here proposed. These models can reproduce the flexure-shear interaction in the nonlinear range, with the purpose to improve the analysis in shear-critical structures. The first element discussed is based on flexibility formulation which is associated with the Modified Compression Field Theory as material constitutive law. The other model described in this thesis is based on a three-field variational formulation which is associated with a 3D generalized plastic-damage model as constitutive relationship. The first model proposed in this thesis was developed trying to combine a fibre beamcolumn element based on the flexibility formulation with the MCFT theory as constitutive relationship. The flexibility formulation, in fact, seems to be particularly effective for analysis in the nonlinear field. Just the coupling between the fibre element to model the structure and the shear panel to model the individual fibres allows to describe the nonlinear response associated to flexure and shear, and especially their interaction in the nonlinear field. The model was implemented in an original matlab® computer code, for describing the response of generic structures. The simulations carried out allowed to verify the field of working of the model. Comparisons with available experimental results related to reinforced concrete shears wall were performed in order to validate the model. These results are characterized by the peculiarity of distinguishing the different contributions due to flexure and shear separately. The presented simulations were carried out, in particular, for monotonic loading. The model was tested also through numerical comparisons with other computer programs. Finally it was applied for performing a numerical study on the influence of the nonlinear shear response for non slender reinforced concrete (RC) members. Another approach to the problem has been studied during a period of research at the University of California Berkeley. The beam formulation follows the assumptions of the Timoshenko shear beam theory for the displacement field, and uses a three-field variational formulation in the derivation of the element response. A generalized plasticity model is implemented for structural steel and a 3D plastic-damage model is used for the simulation of concrete. The transverse normal stress is used to satisfy the transverse equilibrium equations of at each control section, this criterion is also used for the condensation of degrees of freedom from the 3D constitutive material to a beam element. In this thesis is presented the beam formulation and the constitutive relationships, different analysis and comparisons are still carrying out between the two model presented.

On the geometry of the spin-statistics connection in quantum mechanics

The Spin-Statistics theorem states that the statistics of a system of identical particles is determined by their spin: Particles of integer spin are Bosons (i.e. obey Bose-Einstein statistics), whereas particles of half-integer spin are Fermions (i.e. obey Fermi-Dirac statistics). Since the original proof by Fierz and Pauli, it has been known that the connection between Spin and Statistics follows from the general principles of relativistic Quantum Field Theory. In spite of this, there are different approaches to Spin-Statistics and it is not clear whether the theorem holds under assumptions that are different, and even less restrictive, than the usual ones (e.g. Lorentz-covariance). Additionally, in Quantum Mechanics there is a deep relation between indistinguishabilty and the geometry of the configuration space. This is clearly illustrated by Gibbs' paradox. Therefore, for many years efforts have been made in order to find a geometric proof of the connection between Spin and Statistics. Recently, various proposals have been put forward, in which an attempt is made to derive the Spin-Statistics connection from assumptions different from the ones used in the relativistic, quantum field theoretic proofs. Among these, there is the one due to Berry and Robbins (BR), based on the postulation of a certain single-valuedness condition, that has caused a renewed interest in the problem. In the present thesis, we consider the problem of indistinguishability in Quantum Mechanics from a geometric-algebraic point of view. An approach is developed to study configuration spaces Q having a finite fundamental group, that allows us to describe different geometric structures of Q in terms of spaces of functions on the universal cover of Q. In particular, it is shown that the space of complex continuous functions over the universal cover of Q admits a decomposition into C(Q)-submodules, labelled by the irreducible representations of the fundamental group of Q, that can be interpreted as the spaces of sections of certain flat vector bundles over Q. With this technique, various results pertaining to the problem of quantum indistinguishability are reproduced in a clear and systematic way. Our method is also used in order to give a global formulation of the BR construction. As a result of this analysis, it is found that the single-valuedness condition of BR is inconsistent. Additionally, a proposal aiming at establishing the Fermi-Bose alternative, within our approach, is made.

Der implizite Bewußtseinsinhalt in der Phänomenologie und der analytischen Philosophie

Die vorliegende Arbeit wurde durch die Erkenntnis motiviert, daß die Theorie der Intentionalität ohne eine Theorie der impliziten Intentionalität unvollständig ist. Die Anlage einer solchen Theorie gründet in der Annahme, daß die impliziten ("ergänzenden oder "mit-bewußten") Erfahrungsinhalte Inhalte intentional wirksam sind: daß sie zur "Konstitution" der intentionalen Objekte – im Sinne vom Husserl und Gurwitsch – beitragen. Die Bedingungen und Umstände dieser Wirksamkeit herauszuarbeiten, ist das Hauptziel der vorliegenden Untersuchungen. Dazu wurde (1) eine phänomenologische Theorie des impliziten Inhalts kritisch expliziert, und (2) diese anhand einiger aktueller Ansätze der analytischen Philosophie auf die Probe gestellt. Im phänomenologischen Teil der Arbeit wurden zuerst die methodologischen Voraussetzungen von Gurwitschs gestalttheoretischer Neuformulierung des Husserlschen Projekts unter Berücksichtigung der sogenannten Konstanzannahme kritisch untersucht. Weiterhin wurden Husserls Noema-Konzeption und seine Horizontlehre aus der Perspektive von Gurwitschs Feldtheorie des Bewußtseins expliziert, und in der Folge Gurwitschs dreifache Gliederung des Bewußtseinsfeldes – das Kopräsenz-Kohärenz-Relevanz-Schema – um die phänomenologischen Begriffe "Potentialität", "Typik" und "Motivation" erweitert. Die Beziehungen, die diesen Begriffen zugrunde liegen, erwiesen sich als "mehr denn bloß kontigent, aber als weniger denn logisch oder notwendig" (Mulligan). An Beispielen aus der analytischen Philosphie der Wahrnehmung (Dretske, Peacocke, Dennett, Kelly) und der Sprache (Sperber, Wilson, Searle) wurde das phänomenologische Konzept des impliziten Inhalts kritisch beurteilt und weiterentwickelt. Hierbei wurde(n) unter anderem (1) der Zusammenhang zwischen dem phänomenologischen Begriff "vorprädikativer Inhalt" und dem analytischen Begriff "nichtkonzeptueller Inhalt" aufgezeigt und (2) Kriterien für die Zuschreibung impliziter Überzeugungen in den typischen Fällen der prädikativen Intentionalität zusammengetragen und systematisiert.

Hydrodynamical simulations of galaxy clusters in dark energy cosmologies

In this work we investigate the influence of dark energy on structure formation, within five different cosmological models, namely a concordance $\Lambda$CDM model, two models with dynamical dark energy, viewed as a quintessence scalar field (using a RP and a SUGRA potential form) and two extended quintessence models (EQp and EQn) where the quintessence scalar field interacts non-minimally with gravity (scalar-tensor theories). We adopted for all models the normalization of the matter power spectrum $\sigma_{8}$ to match the CMB data. For each model, we perform hydrodynamical simulations in a cosmological box of $(300 \ {\rm{Mpc}} \ h^{-1})^{3}$ including baryons and allowing for cooling and star formation. We find that, in models with dynamical dark energy, the evolving cosmological background leads to different star formation rates and different formation histories of galaxy clusters, but the baryon physics is not affected in a relevant way. We investigate several proxies for the cluster mass function based on X-ray observables like temperature, luminosity, $M_{gas}$, and $Y_{X}$. We confirm that the overall baryon fraction is almost independent of the dark energy models within few percentage points. The same is true for the gas fraction. This evidence reinforces the use of galaxy clusters as cosmological probe of the matter and energy content of the Universe. We also study the $c-M$ relation in the different cosmological scenarios, using both dark matter only and hydrodynamical simulations. We find that the normalization of the $c-M$ relation is directly linked to $\sigma_{8}$ and the evolution of the density perturbations for $\Lambda$CDM, RP and SUGRA, while for EQp and EQn it depends also on the evolution of the linear density contrast. These differences in the $c-M$ relation provide another way to use galaxy clusters to constrain the underlying cosmology.

Geometry of BV quantization and Mathai-Quillen formalism

Il formalismo Mathai-Quillen (MQ) è un metodo per costruire la classe di Thom di un fibrato vettoriale attraverso una forma differenziale di profilo Gaussiano. Lo scopo di questa tesi è quello di formulare una nuova rappresentazione della classe di Thom usando aspetti geometrici della quantizzazione Batalin-Vilkovisky (BV). Nella prima parte del lavoro vengono riassunti i formalismi BV e MQ entrambi nel caso finito dimensionale. Infine sfrutteremo la trasformata di Fourier “odd" considerando la forma MQ come una funzione definita su un opportuno spazio graduato.