Does it matter?

Trotz ihrer unbekannten Eigenschaften wird vermutet, dass Dunkle Materie das Universum, wie wir es heute kennen, geformt hat. In den letzten Jahrzehnten sind verschiedene Theorien entstanden, von denen die meisten eine Kopplung des dunklen Sektors an das Standardmodell zulassen. Kandidaten für Dunkle Materie, wie beispielsweise Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), können zu Standardmodell-Teilchen annihilieren. Konsequent führt dies zur Produktion von Photonen, deren direkte Erzeugung sonst unterdrückt wäre. In Regionen mit hoher Dichte an Dunkler Materie, unter anderem Zwerggalaxien, wird eine erhebliche Rate an Gammastrahlen erwartet. Diese Dissertation untersucht Gammasignale aus der Region von CBe dSph mit den MAGIC-Teleskopen sowohl in energetischer als auch in räumlicher Auflösung. Da die Teleskope ausgedehnte Luftschauer erfassen, die durch die Wechselwirkung der Gammastrahlen mit der Erdatmosphäre entstehen, wird der Hintergrund dieser Beobachtungen von einer hohen Rate an kosmischen Strahlen dominiert. Die Imperfektion der Methoden zur Trennung von Signal und Hintergrund erfordert die Konstruktion eines dreidimensionalen Hintergrundmodells für diese Analyse, was zur Entwicklung eines neuartigen Methode, der exclusion-rotation Methode, führt. Frühere Studien basieren auf einer eindimensionalen Analyse (energetisch) von CBe dSph. Durch die Einbeziehung von zwei zusätzlichen Dimensionen in dieser Arbeit erfordert die Berechnung von Obergrenzen für den thermisch gemittelten Wirkungsquerschnitt der Dunkle-Materie-Modelle eine robuste und effiziente Berechnung statistischer Tests. Asimov-Datensätze werden in diesem Kontext erstmals im Rahmen einer Suche nach Dunkler Materie mit den MAGIC-Teleskopen eingeführt und angewendet. Diese Datensätze ermöglichen die Approximation der Teststatistik und erlauben erstmals die Konstruktion von Obergrenzen für den Stärkeparameter des Dunkle-Materie-Modells mit der CL_"s" -Methode. Die Implementierung dieser neuartigen Methoden wird über das Open-Source-Python-Paket TITRATE zur Verfügung gestellt. Es konnte kein Hinweis auf ein von Dunkler Materie induziertes Signal für Annihilationen zu b b┴‾, W^+ W^-, μ^+ μ^- und τ^+ τ^- sowie für Dunkle-Materie-Massen m_χ zwischen 0.17 TeV und 100 TeV in CBe dSph gefunden werden. Die Obergrenzen für den thermisch gemittelten Wirkungsquerschnitt, berechnet mit den Asimov-Datensätzen in einer und drei Dimensionen, werden mit der klassischen Konstruktion nach Wilks’ Theorem verglichen. Die dreidimensionale Asimov-CL_"s" -Sensitivität übertrifft frühere Studien der MAGIC-Kollaboration zu CBe dSph, wenn die Ergebnisse auf die von MAGIC angenommene Dunkle-Materie-Dichte skaliert werden, mit Ausnahme der Annihilation zu μ^+ μ^- und τ^+ τ^- oberhalb von m_χ>8"TeV" und m_χ>13"TeV" .Trotz ihrer unbekannten Eigenschaften wird vermutet, dass Dunkle Materie das Universum, wie wir es heute kennen, geformt hat. In den letzten Jahrzehnten sind verschiedene Theorien entstanden, von denen die meisten eine Kopplung des dunklen Sektors an das Standardmodell zulassen. Kandidaten für Dunkle Materie, wie beispielsweise Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), können zu Standardmodell-Teilchen annihilieren. Konsequent führt dies zur Produktion von Photonen, deren direkte Erzeugung sonst unterdrückt wäre. In Regionen mit hoher Dichte an Dunkler Materie, unter anderem Zwerggalaxien, wird eine erhebliche Rate an Gammastrahlen erwartet. Diese Dissertation untersucht Gammasignale aus der Region von CBe dSph mit den MAGIC-Teleskopen sowohl in energetischer als auch in räumlicher Auflösung. Da die Teleskope ausgedehnte Luftschauer erfassen, die durch die Wechselwirkung der Gammastrahlen mit der Erdatmosphäre entstehen, wird der Hintergrund dieser Beobachtungen von einer hohen Rate an kosmischen Strahlen dominiert. Die Imperfektion der Methoden zur Trennung von Signal und Hintergrund erfordert die Konstruktion eines dreidimensionalen Hintergrundmodells für diese Analyse, was zur Entwicklung eines neuartigen Methode, der exclusion-rotation Methode, führt. Frühere Studien basieren auf einer eindimensionalen Analyse (energetisch) von CBe dSph. Durch die Einbeziehung von zwei zusätzlichen Dimensionen in dieser Arbeit erfordert die Berechnung von Obergrenzen für den thermisch gemittelten Wirkungsquerschnitt der Dunkle-Materie-Modelle eine robuste und effiziente Berechnung statistischer Tests. Asimov-Datensätze werden in diesem Kontext erstmals im Rahmen einer Suche nach Dunkler Materie mit den MAGIC-Teleskopen eingeführt und angewendet. Diese Datensätze ermöglichen die Approximation der Teststatistik und erlauben erstmals die Konstruktion von Obergrenzen für den Stärkeparameter des Dunkle-Materie-Modells mit der CL_"s" -Methode. Die Implementierung dieser neuartigen Methoden wird über das Open-Source-Python-Paket TITRATE zur Verfügung gestellt. Es konnte kein Hinweis auf ein von Dunkler Materie induziertes Signal für Annihilationen zu b b┴‾, W^+ W^-, μ^+ μ^- und τ^+ τ^- sowie für Dunkle-Materie-Massen m_χ zwischen 0.17 TeV und 100 TeV in CBe dSph gefunden werden. Die Obergrenzen für den thermisch gemittelten Wirkungsquerschnitt, berechnet mit den Asimov-Datensätzen in einer und drei Dimensionen, werden mit der klassischen Konstruktion nach Wilks’ Theorem verglichen. Die dreidimensionale Asimov-CL_"s" -Sensitivität übertrifft frühere Studien der MAGIC-Kollaboration zu CBe dSph, wenn die Ergebnisse auf die von MAGIC angenommene Dunkle-Materie-Dichte skaliert werden, mit Ausnahme der Annihilation zu μ^+ μ^- und τ^+ τ^- oberhalb von m_χ>8"TeV" und m_χ>13"TeV"

DNA barcoding of passerine birds in Iran

Exploring genetic diversity is essential for precise species delimitation, especially within taxonomically complex groups like passerine birds. Traditional morphological methods often fail to resolve species boundaries; however, DNA barcoding, particularly through the mitochondrial cytochrome c oxidase subunit I (COI) gene, provides a powerful complementary method for accurate species identification. This study establishes a comprehensive DNA barcode library for Iranian passerine birds, analyzing 546 COI sequences from 94 species across 23 families and 53 genera. There is a pronounced barcode gap, with average intraspecific divergence at 0.41% and interspecific divergence at 18.6%. Notable intraspecific variation emerged in the Persian nuthatch (Sitta tephronota) and the Lesser whitethroat (Curruca curruca), while the European goldfinch (Carduelis carduelis) and the grey-crowned goldfinch (Carduelis caniceps) showed limited genetic differentiation despite marked morphological distinctions. Phylogenetic analysis revealed significant east-west genetic splits in C. curruca and S. tephronota, reflecting Iran’s geographic and zoogeographic boundaries. These findings demonstrate the effectiveness of DNA barcoding in elucidating biogeographic patterns, emphasizing Iran’s key role as an ornithological crossroads for avian biodiversity. Moreover, our results suggest that much of the genetic variation in the COI gene arises from synonymous mutations, highlighting the role of purifying selection in shaping mtDNA diversity across species

Warum sind Konfidenzellipsen eigentlich Ellipsen? – Vernetzung zwischen Stochastik und Geometrie

In den letzten Jahren ist in der Literatur der Begriff der Konfidenzellipse vermehrt in Erscheinung getreten (bei Konfidenzintervallen für eine unbekannte Wahrscheinlichkeit p). Damit kann gut der Unterschied zwischen Prognose- und Konfidenzintervallen veranschaulicht werden. Die Tatsache, dass es sich dabei um eine Ellipse handelt, ist aus stochastischer Sicht eigentlich nicht wichtig, daher wird das auch kaum irgendwo näher hinterfragt bzw. begründet. Im Vortrag wird versucht es trotzdem zu erklären, und zwar auf möglichst anschauliche und elementare Weise

Exploring nonlinear dynamics in periodically driven time crystal from synchronization to chaotic motion

The coupled electron-nuclear spin system in an InGaAs semiconductor as testbed of nonlinear dynamics can develop auto-oscillations, resembling time-crystalline behavior, when continuously excited by a circularly polarized laser. We expose this system to deviations from continuous driving by periodic modulation of the excitation polarization, revealing a plethora of nonlinear phenomena that depend on modulation frequency and depth. We find ranges in which the system’s oscillations are entrained with the modulation frequency. The width of these ranges depends on the polarization modulation depth, resulting in an Arnold tongue pattern. Outside the tongue, the system shows a variety of fractional subharmonic responses connected through bifurcation jets when varying the modulation frequency. Here, each branch in the frequency spectrum forms a devil’s staircase. When an entrainment range is approached by going through an increasing order of bifurcations, chaotic behavior emerges. These findings can be described by an advanced model of the periodically pumped electron-nuclear spin system. We discuss the connection of the obtained results to different phases of time matter

Theory and applications of wide field surface plasmon resonance microscopy for discrete particles detection

Detecting and characterizing nano-objects with low concentrations, such as biological particles, is a substantial challenge in analytical science. The wide-field surface plasmon resonance microscopy (WF-SPRM) can detect individual nano-objects in solutions and gas media bound to the sensor surface. Therefore, WF-SPRM can detect low nano-object concentrations because the image contains several square millimeters. In this work, the fundamental parameters for building highly sensitive WF-SPRM were optimized. WF-SPRM can detect individual nano-objects in solutions and gas media. Therefore, we derived a discrete particle model of SPR to describe the SPR sensor of discrete particle detection. Theoretical, numerical, and experimental analyses of the SPR detection principle were performed by considering discrete particle detection. Additionally, the influence on the SPR sensitivity of coating the gold/silver layer with a dielectric layer with varying refractive index is also studied. Different polyelectrolyte brushes, like polyacrylic acid, polyacrylic acid-polyethylene oxide, and polyacrylic acid/iodine, are used to validate the enhancement of the SPR sensitivity. Validation experiments are performed using polystyrene and silica nanoparticles of varying sizes. Finally, the surface plasmon coupling behavior between the localized surface plasmons (LSPs) of different shapes and sizes of metal nanostructures and the propagating surface plasmons (PSPs) of the metal surface is investigated by employing experimental, simulation, and theoretical approaches

Intrinsic dissolution modeling: interdependence between dissolution rate, solubility, and boundary layer thickness

Background/Objectives: In the past, many drug release models have been presented which attempt to describe the interaction of drugs and excipients in a formulation. Nevertheless, modeling the intrinsic dissolution behavior is essential for understanding the fundamental dissolution mechanisms of drugs and for enhancing the quality of computational approaches in the long term. Methods: In this study, the intrinsic dissolution of various pharmaceutical model substances (benzocaine, carbamazepine, griseofulvin, ibuprofen, naproxen, phenytoin, theophylline monohydrate, and trimethoprim) was investigated in dissolution experiments, taking into account the flow conditions in a dissolution channel apparatus. A practicable and generally valid representation was identified to describe the diffusion properties of the drugs in terms of the boundary layer thickness without considering the particle size distribution, physical state, or viscoelastic properties. This representation was supported by numerical simulations using a high-resolution mesh. The influence of the topography on the modeling was also examined. Results: Besides the prediction of the influence of a surface reaction limitation or the solubility of a diffusion controlled drug, the boundary layer thickness at the tablet surface is modellable in terms of a freely selectable length and as a function of the diffusion coefficient, drug solubility, and the flow velocity of the dissolution medium. Conclusions: Using different methods and a large dataset, this study presents a modeling approach that can contribute to a deeper understanding of intrinsic dissolution behavior

Extending the distributional regression framework

This thesis develops distributional regression methods tailored to the estimation of treatment effects as well as joint modelling of multivariate non-commensurable responses, all based on the Generalised Additive Models for Location Scale and Shape (GAMLSS) approach. In addition, it postulates methods for data-driven variable selection for the aforementioned model class. These developments are introduced across four contributed articles and are implemented in the statistical programming software R. In the first article, we derive treatment effects on the entire conditional response distribution via an instrumental variable estimation approach based on GAMLSS. Our approach allows to model all parameters of possibly complex outcome distributions as well as non-linear relationships between explanatory variables, instrument and outcome of interest. This demonstrates the potential of using distributional regression in instrumental variable regression both to account for endogeneity and estimate treatment effects beyond the mean. The second article introduces flexible copula-based statistical models for bivariate responses comprised of non-commensurate (i.e. mixed) variables whose components are a right-censored time-to-event response and a non-time-to-event outcome. The copula approach allows for separate specification of the dependence structure between the margins and their individual distribution functions. The model of the time-to-event margin is constructed via discrete-time-to-event or piecewise-exponential methods using the correspondence of their likelihood of the aforementioned approaches with well-known univariate distributions. The last two articles tackle the issue of data-driven variable selection for copula-based distributional regression models. In the third article we devise a gradient boosting estimation algorithm adapted to accommodate copula models with arbitrary marginal distributions suited for bivariate binary, count and non-commensurable mixed outcomes. The last article further extends these methods to bivariate right-censored time-to-event responses. This dramatically streamlines the model-building process for a wide range of response structures. The versatility of the proposed methods is demonstrated through the analysis of various synthetic and real data structures from labour economics, transportation, genetic epidemiology, healthcare utilisation, childhood undernutrition and ovarian cancer.Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung von verteilungsregressionsbasierten Methoden, welche zur Schätzung von Treatment-Effekten sowie auf die gemeinsame Modellierung multivariater gemischter Zielgrößen geeignet sind. Alle entwickelten Methoden basieren auf dem Ansatz der Generalised Additive Models for Location Scale and Shape (GAMLSS). Darüber hinaus werden Verfahren zur Variablenselektion für diese Modellklasse entwickelt. Die neuen Verfahren werden in vier wissenschaftlichen Artikeln vorgestellt und in der statistischen Programmiersprache R implementiert. Im ersten Artikel werden Treatment-Effekte für die gesamte bedingte Verteilung hergeleitet. Dies erfolgt unter Verwendung eines Instrumentalvariablen-Schätzansatzes basierend auf GAMLSS. Unser Ansatz ermöglicht es, alle Parameter möglicher komplexer Verteilungen sowie nichtlineare Beziehungen zwischen erklärenden Variablen, Instrumentalvariablen und die Zielgröße zu modellieren. Dies zeigt die Vorteile, Verteilungsregression in der Instrumentalvariablenregression zu nutzen, um Endogenität zu berücksichtigen und Treatment-Effekte über den Mittelwert hinaus zu schätzen. Der zweite Artikel führt flexible copula-basierte statistische Modelle für bivariate Zielgrößen ein, die aus gemischten Rändern bestehen. Die Komponenten dieser Zielgrößen bestehen aus einer rechtszensierten Ereigniszeit und einer nicht-Ereigniszeit Variable. Der Copula-Ansatz ermöglicht eine separate Spezifikation der Abhängigkeitsstruktur zwischen den Rändern und ihren individuellen Verteilungsfunktionen. Das Modell der Ereigniszeitkomponente wird mittels discrete time oder piecewise-exponential Verfahren unter Verwendung der Übereinstimmung ihrer Likelihood mit den bekannten univariaten Verteilungen der genannten Ansätze gebildet. Die letzten zwei Artikel beschäftigen sich mit der Variablenselektion für Copula-basierte Verteilungsregressionsmodelle. Im dritten Artikel wird ein Gradient Boosting-Schätzungsalgorithmus entwickelt. Dieser ist für Copula-Modelle mit beliebigen marginalen Verteilungen angepasst und für bivariate binäre, zähl und gemischte Zielgrößen geeignet. Der vierte Artikel erweitert diese Verfahren auf bivariate rechtszensierte Ereigniszeiten. Die Vielfältigkeit der Methoden wird durch die Analyse von synthetischen und realen Daten aus verschiedenen Anwendungsgebieten demonstriert

Computational methods for infrared spectroscopy of airless planetary bodies

This thesis presents three computational models to analyze the infrared spectra of airless planetary bodies like the Moon, Mercury, and the exoplanet LHS 3844b. These models aid in studying their mineral composition, hydration pattern, and thermophysical properties, ultimately helping to understand these remote worlds. First, the author developed a thermal model that simulates the radiance emerging from airless planetary bodies. Validation with lunar infrared measurements acquired by the Gaofen-4 weather satellite and the Diviner lunar radiometer showed excellent agreement. Reprocessing the model with different bolometric hemispherical emissivities yielded similar fitting results with slightly more realistic parameter estimates. The model allows analyzing Moon Mineralogy Mapper data for understanding the lunar hydration pattern, calibrating MERTIS (BepiColombo) data for mineralogical analysis of Mercury, and analyzing phase curves of the airless exoplanet LHS3844b measured with the James Webb Space Telescope. The model is also suited for data from future missions, such as the Lunar Trailblazer, and calibration of earth satellites, such as the Forest-2/3 satellite series of Ororatech. The second contribution is a model that simulates the spectral effects of space weathering, combining light scattering theory with the Hapke reflectance model. The model helps to analyze lunar hydration and mineralogy and photometric phenomena like lunar swirls. Inter-particle interactions show that closely packed iron particles cause spectral darkening, which was previously thought to be caused only by larger iron particles. Third, the author re-examined previous telescopic studies of planet Mercury that found a correlation between the spectral slope of Mercury and the emission angle. It was found that wavelength-dependent atmospheric distortions explain these alleged correlations, challenging earlier interpretations

Die Steuerung der Siedlungsentwicklung

Die vorliegende kumulative Dissertation untersucht die Wirksamkeit regionalplanerischer Steuerungsansätze zur nachhaltigen Flächennutzung in Deutschland und leistet einen Beitrag zum bislang begrenzt erforschten Bereich quantitativer Mess- und Evaluationsmethoden im deutschen Kontext. Es wird analysiert, wie Mess- und Evaluationsmethoden dazu beitragen können, die Zielsetzungen und Wirkungen der Regionalplanung messbar zu machen und die Effektivität und Effizienz bei der Umsetzung regionalplanerischer Aufgaben zu unterstützen. Mithilfe eines Mehrebenen-Regressionsansatzes wird die Wirksamkeit regionalplanerischer Steuerungsansätze auf die Entwicklung von Wohnbauflächen analysiert. Dabei werden sowohl der Einfluss der regionalplanerischen Regulierung als auch der von Interessengruppen und weiteren Kontextfaktoren betrachtet. Auf Grundlage des Konzepts des Transit-Oriented Development (TOD) und des Node-Place-Ansatzes wird der regionalplanerische Steuerungsansatz zur Ausrichtung der Siedlungsentwicklung auf den ÖPNV untersucht. Es kommt eine ex-ante Analyse zum Einsatz, mit der Haltepunkte des schienengebundenen Regionalverkehrs hinsichtlich ihrer Eignung für eine bauliche Entwicklung bewertet und klassifiziert werden, um eine integrierte Siedlungs- und Verkehrsentwicklung zu fördern. Mit Hilfe einer ex-post Analyse wird der regionalplanerische Steuerungsansatz zum Vorrang der Innen- vor Außenentwicklung untersucht. Anhand kleinräumiger flächendeckender Geodaten wird die Wohnbautätigkeit in Deutschland über einen Zeitraum von über 30 Jahren nach Innen- und Außenentwicklung klassifiziert und quantifiziert sowie in Bezug auf räumliche Trends und soziodemografische, siedlungsstrukturelle und planerische Einflussfaktoren tiefergehend analysiert. Neben der Analyse bestehender regionalplanerischer Steuerungsansätze zeigt die Dissertation auf, dass methodische und technologische Innovationen in der Raum- und Wirkungsanalyse – wie die entwickelten Mess- und Evaluationsmethoden – entscheidende Beiträge zur Förderung einer ressourcenschonenden Regionalentwicklung leisten können. Die Dissertation zeigt, wie Mess- und Evaluationsmethoden eine daten- und evidenzbasierte Raumplanung unterstützen können, die langfristige Nachhaltigkeitsziele mit objektiven und validen Datengrundlagen verknüpft.The present cumulative dissertation examines the effectiveness of regional planning instruments for sustainable land use in Germany and contributes to the still limited research on quantitative measurement and evaluation methods in the German context. It analyses how measurement and evaluation methods can help to quantify the objectives and impacts of regional planning and thereby support the effectiveness and efficiency of the implementation of spatial planning tasks. Using a multilevel regression approach, the dissertation assesses the effectiveness of regional planning on the development of residential areas. It considers not only the influence of regional planning regulations, but also the role of interest groups and other contextual factors. Based on the concept of Transit-Oriented Development (TOD) and the node-place approach, the dissertation examines the goal of regional planning to direct settlement development towards public transport. An ex-ante analysis is used to evaluate and classify rail-based train stations according to their suitability for urban development, thereby promoting integrated settlement and transport planning. An ex-post analysis examines the regional planning approach of prioritising infill development over urban expansion. Using high-resolution, nationwide geospatial data, residential construction activity in Germany over a period of more than 30 years is classified and quantified in terms of infill versus greenfield development. The study also provides an in-depth analysis of spatial trends and socio-demographic, settlement structural and planning factors. In addition to the analysis of existing regional planning instruments, the dissertation shows that methodological and technological innovations in spatial and impact analysis - such as the measurement and evaluation methods developed - can make a decisive contribution to promoting resource-efficient regional development. The dissertation demonstrates how measurement and evaluation methods can support data- and evidence-based spatial planning, linking long-term sustainability goals with objective and valid data foundations