Direct signals for large extra dimensions in the production of fermion pairs at linear colliders

We analyze the potential of the next generation of e+e- linear colliders to search for large extra dimensions via the production of fermion pairs in association with Kaluza-Klein gravitons (G), i.e., e+e- →ff̃G. This process leads to a final state exhibiting a significant amount of missing energy in addition to acoplanar lepton or jet pairs. We study in detail this reaction using the full tree level contributions due to the graviton emission and the standard model backgrounds. After choosing the cuts to enhance the signal, we show that a linear collider with a center-of-mass energy of 500 GeV will be able to probe quantum gravity scales from 0.96 (0.86) up to 4.1 (3.3) TeV at a 2 (5)σ level, depending on the number of extra dimensions. ©2001 The American Physical Society.

A geometric approach to cosmological boundary conditions

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Mesonic chiral perturbation theory - odd intrinsic parity sector

In der vorliegenden Dissertation werden zwei verschiedene Aspekte des Sektors ungerader innerer Parität der mesonischen chiralen Störungstheorie (mesonische ChPT) untersucht. Als erstes wird die Ein-Schleifen-Renormierung des führenden Terms, der sog. Wess-Zumino-Witten-Wirkung, durchgeführt. Dazu muß zunächst der gesamte Ein-Schleifen-Anteil der Theorie mittels Sattelpunkt-Methode extrahiert werden. Im Anschluß isoliert man alle singulären Ein-Schleifen-Strukturen im Rahmen der Heat-Kernel-Technik. Zu guter Letzt müssen diese divergenten Anteile absorbiert werden. Dazu benötigt man eine allgemeinste anomale Lagrange-Dichte der Ordnung O(p^6), welche systematisch entwickelt wird. Erweitert man die chirale Gruppe SU(n)_L x SU(n)_R auf SU(n)_L x SU(n)_R x U(1)_V, so kommen zusätzliche Monome ins Spiel. Die renormierten Koeffizienten dieser Lagrange-Dichte, die Niederenergiekonstanten (LECs), sind zunächst freie Parameter der Theorie, die individuell fixiert werden müssen. Unter Betrachtung eines komplementären vektormesonischen Modells können die Amplituden geeigneter Prozesse bestimmt und durch Vergleich mit den Ergebnissen der mesonischen ChPT eine numerische Abschätzung einiger LECs vorgenommen werden. Im zweiten Teil wird eine konsistente Ein-Schleifen-Rechnung für den anomalen Prozeß (virtuelles) Photon + geladenes Kaon -> geladenes Kaon + neutrales Pion durchgeführt. Zur Kontrolle unserer Resultate wird eine bereits vorhandene Rechnung zur Reaktion (virtuelles) Photon + geladenes Pion -> geladenes Pion + neutrales Pion reproduziert. Unter Einbeziehung der abgeschätzten Werte der jeweiligen LECs können die zugehörigen hadronischen Strukturfunktionen numerisch bestimmt und diskutiert werden.

Der Renormierungsgruppen-Fluß der konform-reduzierten Quantengravitation

Wir analysieren die Rolle von "Hintergrundunabhängigkeit" im Zugang der effektiven Mittelwertwirkung zur Quantengravitation. Wenn der nicht-störungstheoretische Renormierungsgruppen-(RG)-Fluß "hintergrundunabhängig" ist, muß die Vergröberung durch eine nicht spezifizierte, variable Metrik definiert werden. Die Forderung nach "Hintergrundunabhängigkeit" in der Quantengravitation führt dazu, daß die funktionale RG-Gleichung von zusätzlichen Feldern abhängt; dadurch unterscheidet sich der RG-Fluß in der Quantengravitation deutlich von dem RG-Fluß einer gewöhnlichen Quantentheorie, deren Moden-Cutoff von einer starren Metrik abhängt. Beispielsweise kann in der "hintergrundunabhängigen" Theorie ein Nicht-Gauß'scher Fixpunkt existieren, obwohl die entsprechende gewöhnliche Quantentheorie keinen solchen entwickelt. Wir untersuchen die Bedeutung dieses universellen, rein kinematischen Effektes, indem wir den RG-Fluß der Quanten-Einstein-Gravitation (QEG) in einem "konform-reduzierten" Zusammenhang untersuchen, in dem wir nur den konformen Faktor der Metrik quantisieren. Alle anderen Freiheitsgrade der Metrik werden vernachlässigt. Die konforme Reduktion der Einstein-Hilbert-Trunkierung zeigt exakt dieselben qualitativen Eigenschaften wie in der vollen Einstein-Hilbert-Trunkierung. Insbesondere besitzt sie einen Nicht-Gauß'schen Fixpunkt, der notwendig ist, damit die Gravitation asymptotisch sicher ist. Ohne diese zusätzlichen Feldabhängigkeiten ist der RG-Fluß dieser Trunkierung der einer gewöhnlichen $phi^4$-Theorie. Die lokale Potentialnäherung für den konformen Faktor verallgemeinert den RG-Fluß in der Quantengravitation auf einen unendlich-dimensionalen Theorienraum. Auch hier finden wir sowohl einen Gauß'schen als auch einen Nicht-Gauß'schen Fixpunkt, was weitere Hinweise dafür liefert, daß die Quantengravitation asymptotisch sicher ist. Das Analogon der Metrik-Invarianten, die proportional zur dritten Potenz der Krümmung ist und die die störungstheoretische Renormierbarkeit zerstört, ist unproblematisch für die asymptotische Sicherheit der konform-reduzierten Theorie. Wir berechnen die Skalenfelder und -imensionen der beiden Fixpunkte explizit und diskutieren mögliche Einflüsse auf die Vorhersagekraft der Theorie. Da der RG-Fluß von der Topologie der zugrundeliegenden Raumzeit abhängt, diskutieren wir sowohl den flachen Raum als auch die Sphäre. Wir lösen die Flußgleichung für das Potential numerisch und erhalten Beispiele für RG-Trajektorien, die innerhalb der Ultraviolett-kritischen Mannigfaltigkeit des Nicht-Gauß'schen Fixpunktes liegen. Die Quantentheorien, die durch einige solcher Trajektorien definiert sind, zeigen einen Phasenübergang von der bekannten (Niederenergie-) Phase der Gravitation mit spontan gebrochener Diffeomorphismus-Invarianz zu einer neuen Phase von ungebrochener Diffeomorphismus-Invarianz. Diese Hochenergie-Phase ist durch einen verschwindenden Metrik-Erwartungswert charakterisiert.

Measurement of the pair production of b-jets in proton-proton collisions at root out s = 7 TeV with the ATLAS detector

In hadronischen Kollisionen entstehen bei einem Großteil der Ereignisse mit einem hohen Impulsübertrag Paare aus hochenergetischen Jets. Deren Produktion und Eigenschaften können mit hoher Genauigkeit durch die Störungstheorie in der Quantenchromodynamik (QCD) vorhergesagt werden. Die Produktion von \textit{bottom}-Quarks in solchen Kollisionen kann als Maßstab genutzt werden, um die Vorhersagen der QCD zu testen, da diese Quarks die Dynamik des Produktionsprozesses bei Skalen wieder spiegelt, in der eine Störungsrechnung ohne Einschränkungen möglich ist. Auf Grund der hohen Masse von Teilchen, die ein \textit{bottom}-Quark enthalten, erhält der gemessene, hadronische Zustand den größten Teil der Information von dem Produktionsprozess der Quarks. Weil sie eine große Produktionsrate besitzen, spielen sie und ihre Zerfallsprodukte eine wichtige Rolle als Untergrund in vielen Analysen, insbesondere in Suchen nach neuer Physik. In ihrer herausragenden Stellung in der dritten Quark-Generation könnten sich vermehrt Zeichen im Vergleich zu den leichteren Quarks für neue Phänomene zeigen. Daher ist die Untersuchung des Verhältnisses zwischen der Produktion von Jets, die solche \textit{bottom}-Quarks enthalten, auch bekannt als $b$-Jets, und aller nachgewiesener Jets ein wichtiger Indikator für neue massive Objekte. In dieser Arbeit werden die Produktionsrate und die Korrelationen von Paaren aus $b$-Jets bestimmt und nach ersten Hinweisen eines neuen massiven Teilchens, das bisher nicht im Standard-Modell enthalten ist, in dem invarianten Massenspektrum der $b$-Jets gesucht. Am Large Hadron Collider (LHC) kollidieren zwei Protonenstrahlen bei einer Schwerpunktsenergie von $\sqrt s = 7$ TeV, und es werden viele solcher Paare aus $b$-Jets produziert. Diese Analyse benutzt die aufgezeichneten Kollisionen des ATLAS-Detektors. Die integrierte Luminosität der verwendbaren Daten beläuft sich auf 34~pb$^{-1}$. $b$-Jets werden mit Hilfe ihrer langen Lebensdauer und den rekonstruierten, geladenen Zerfallsprodukten identifiziert. Für diese Analyse müssen insbesondere die Unterschiede im Verhalten von Jets, die aus leichten Objekten wie Gluonen und leichten Quarks hervorgehen, zu diesen $b$-Jets beachtet werden. Die Energieskala dieser $b$-Jets wird untersucht und die zusätzlichen Unsicherheit in der Energiemessung der Jets bestimmt. Effekte bei der Jet-Rekonstruktion im Detektor, die einzigartig für $b$-Jets sind, werden studiert, um letztlich diese Messung unabhängig vom Detektor und auf Niveau der Hadronen auswerten zu können. Hiernach wird die Messung zu Vorhersagen auf nächst-zu-führender Ordnung verglichen. Dabei stellt sich heraus, dass die Vorhersagen in Übereinstimmung zu den aufgenommenen Daten sind. Daraus lässt sich schließen, dass der zugrunde liegende Produktionsmechanismus auch in diesem neu erschlossenen Energiebereich am LHC gültig ist. Jedoch werden auch erste Hinweise auf Mängel in der Beschreibung der Eigenschaften dieser Ereignisse gefunden. Weiterhin können keine Anhaltspunkte für eine neue Resonanz, die in Paare aus $b$-Jets zerfällt, in dem invarianten Massenspektrum bis etwa 1.7~TeV gefunden werden. Für das Auftreten einer solchen Resonanz mit einer Gauß-förmigen Massenverteilung werden modell-unabhängige Grenzen berechnet.

High-mass Drell-Yan cross-section and search for new phenomena in multi-electron/positron final states with the ATLAS detector

The Standard Model of particle physics is a very successful theory which describes nearly all known processes of particle physics very precisely. Nevertheless, there are several observations which cannot be explained within the existing theory. In this thesis, two analyses with high energy electrons and positrons using data of the ATLAS detector are presented. One, probing the Standard Model of particle physics and another searching for phenomena beyond the Standard Model.rnThe production of an electron-positron pair via the Drell-Yan process leads to a very clean signature in the detector with low background contributions. This allows for a very precise measurement of the cross-section and can be used as a precision test of perturbative quantum chromodynamics (pQCD) where this process has been calculated at next-to-next-to-leading order (NNLO). The invariant mass spectrum mee is sensitive to parton distribution functions (PFDs), in particular to the poorly known distribution of antiquarks at large momentum fraction (Bjoerken x). The measurementrnof the high-mass Drell-Yan cross-section in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 7 TeV is performed on a dataset collected with the ATLAS detector, corresponding to an integrated luminosity of 4.7 fb-1. The differential cross-section of pp -> Z/gamma + X -> e+e- + X is measured as a function of the invariant mass in the range 116 GeV < mee < 1500 GeV. The background is estimated using a data driven method and Monte Carlo simulations. The final cross-section is corrected for detector effects and different levels of final state radiation corrections. A comparison isrnmade to various event generators and to predictions of pQCD calculations at NNLO. A good agreement within the uncertainties between measured cross-sections and Standard Model predictions is observed.rnExamples of observed phenomena which can not be explained by the Standard Model are the amount of dark matter in the universe and neutrino oscillations. To explain these phenomena several extensions of the Standard Model are proposed, some of them leading to new processes with a high multiplicity of electrons and/or positrons in the final state. A model independent search in multi-object final states, with objects defined as electrons and positrons, is performed to search for these phenomenas. Therndataset collected at a center-of-mass energy of sqrt(s) = 8 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 20.3 fb-1 is used. The events are separated in different categories using the object multiplicity. The data-driven background method, already used for the cross-section measurement was developed further for up to five objects to get an estimation of the number of events including fake contributions. Within the uncertainties the comparison between data and Standard Model predictions shows no significant deviations.

Thermal right-handed neutrino self-energy in the non-relativistic regime

Recently the issue of radiative corrections to leptogenesis has been raised. Considering the "strong washout" regime, in which OPE-techniques permit to streamline the setup, we report the thermal self-energy matrix of heavy right-handed neutrinos at NLO (resummed 2-loop level) in Standard Model couplings. The renormalized expression describes flavour transitions and "inclusive" decays of chemically decoupled right-handed neutrinos. Although CP-violation is not addressed, the result may find use in existing leptogenesis frameworks.

Gravity potential spherical harmonic series

Time variable gravity fields, reflecting variations of mass distribution in the system Earth is one of the key parameters to understand the changing Earth. Mass variations are caused either by redistribution of mass in, on or above the Earth's surface or by geophysical processes in the Earth's interior. The first set of observations of monthly variations of the Earth gravity field was provided by the US/German GRACE satellite mission beginning in 2002. This mission is still providing valuable information to the science community. However, as GRACE has outlived its expected lifetime, the geoscience community is currently seeking successor missions in order to maintain the long time series of climate change that was begun by GRACE. Several studies on science requirements and technical feasibility have been conducted in the recent years. These studies required a realistic model of the time variable gravity field in order to perform simulation studies on sensitivity of satellites and their instrumentation. This was the primary reason for the European Space Agency (ESA) to initiate a study on ''Monitoring and Modelling individual Sources of Mass Distribution and Transport in the Earth System by Means of Satellites''. The goal of this interdisciplinary study was to create as realistic as possible simulated time variable gravity fields based on coupled geophysical models, which could be used in the simulation processes in a controlled environment. For this purpose global atmosphere, ocean, continental hydrology and ice models were used. The coupling was performed by using consistent forcing throughout the models and by including water flow between the different domains of the Earth system. In addition gravity field changes due to solid Earth processes like continuous glacial isostatic adjustment (GIA) and a sudden earthquake with co-seismic and post-seismic signals were modelled. All individual model results were combined and converted to gravity field spherical harmonic series, which is the quantity commonly used to describe the Earth's global gravity field. The result of this study is a twelve-year time-series of 6-hourly time variable gravity field spherical harmonics up to degree and order 180 corresponding to a global spatial resolution of 1 degree in latitude and longitude. In this paper, we outline the input data sets and the process of combining these data sets into a coherent model of temporal gravity field changes. The resulting time series was used in some follow-on studies and is available to anybody interested.

Diabatic quantum gates

At present, several models for quantum computation have been proposed. Adiabatic quantum computation scheme particularly offers this possibility and is based on a slow enough time evolution of the system, where no transitions take place. In this work, a new strategy for quantum computation is provided from the opposite point of view. The objective is to control the non-adiabatic transitions between some states in order to produce the desired exit states after the evolution. The model is introduced by means of an analogy between the adiabatic quantum computation and an inelastic atomic collision. By means of a simple two-state model, several quantum gates are reproduced, concluding the possibility of diabatic universal faulttolerant quantum computation. Going a step further, a new quantum diabatic computation model is glimpsed, where a carefully chosen Hamiltonian could carry out a non-adiabatic transition between the initial and the sought final state.

Quantum Hall effect in gapped graphene heterojunctions

We model the quantum Hall effect in heterostructures made of two gapped graphene stripes with different gaps, Δ1 and Δ2. We consider two main situations, Δ1=0,Δ2≠0, and Δ1=−Δ2. They are different in a fundamental aspect: only the latter features kink states that, when intervalley coupling is absent, are protected against backscattering. We compute the two-terminal conductance of heterostructures with channel length up to 430 nm, in two transport configurations, parallel and perpendicular to the interface. By studying the effect of disorder on the transport along the boundary, we quantify the robustness of kink states with respect to backscattering. Transport perpendicular to the boundary shows how interface states open a backscattering channel for the conducting edge states, spoiling the perfect conductance quantization featured by the homogeneously gapped graphene Hall bars. Our results can be relevant for the study of graphene deposited on hexagonal boron-nitride, as well as to model graphene with an interaction-driven gapped phase with two equivalent phases separated by a domain wall.

THE TRANSPORT OF HEAT BY FLOWING GROUNDWATER IN A DISCRETE FRACTURE

In typical theoretical or experimental studies of heat migration in discrete fractures, conduction and thermal dispersion are commonly neglected from the fracture heat transport equation, assuming heat conduction into the matrix is predominant. In this study analytical and numerical models are used to investigate the significance of conduction and thermal dispersion in the plane of the fracture for a point and line sources geometries. The analytical models account for advective, conductive and dispersive heat transport in both the longitudinal and transverse directions in the fracture. The heat transport in the fracture is coupled with a matrix equation in which heat is conducted in the direction perpendicular to the fracture. In the numerical model, the governing heat transport processes are the same as the analytical models; however, the matrix conduction is considered in both longitudinal and transverse directions. Firstly, we demonstrate that longitudinal conduction and dispersion are critical processes that affect heat transport in fractured rock environments, especially for small apertures (eg. 100 μm or less), high flow rate conditions (eg. velocity greater than 50 m/day) and early time (eg. less than 10 days). Secondly, transverse thermal dispersion in the fracture plane is also observed to be an important transport process leading to retardation of the migrating heat front particularly at late time (eg. after 40 days of hot water injection). Solutions which neglect dispersion in the transverse direction underestimate the locations of heat fronts at late time. Finally, this study also suggests that the geometry of the heat sources has significant effects on the heat transport in the system. For example, the effects of dispersion in the fracture are observed to decrease when the width of the heat source expands.

Nonlinear quantum optical computing via measurement

We show how the measurement induced model of quantum computation proposed by Raussendorf and Briegel ( 2001, Phys. Rev. Letts., 86, 5188) can be adapted to a nonlinear optical interaction. This optical implementation requires a Kerr nonlinearity, a single photon source, a single photon detector and fast feed forward. Although nondeterministic optical quantum information proposals such as that suggested by KLM ( 2001, Nature, 409, 46) do not require a Kerr nonlinearity they do require complex reconfigurable optical networks. The proposal in this paper has the benefit of a single static optical layout with fixed device parameters, where the algorithm is defined by the final measurement procedure.

Optical quantum computation using cluster states

We propose an approach to optical quantum computation in which a deterministic entangling quantum gate may be performed using, on average, a few hundred coherently interacting optical elements (beam splitters, phase shifters, single photon sources, and photodetectors with feedforward). This scheme combines ideas from the optical quantum computing proposal of Knill, Laflamme, and Milburn [Nature (London) 409, 46 (2001)], and the abstract cluster-state model of quantum computation proposed by Raussendorf and Briegel [Phys. Rev. Lett. 86, 5188 (2001)].

Cluster-state quantum computation

This article is a short introduction to and review of the cluster-state model of quantum computation, in which coherent quantum information processing is accomplished via a sequence of single-qubit measurements applied to a fixed quantum state known as a cluster state. We also discuss a few novel properties of the model, including a proof that the cluster state cannot occur as the exact ground state of any naturally occurring physical system, and a proof that measurements on any quantum state which is linearly prepared in one dimension can be efficiently simulated on a classical computer, and thus are not candidates for use as a substrate for quantum computation.