Probing Anomalous Gauge Couplings via Photon-Induced WW Production with Forward Protons at the ATLAS Experiment

Photon-induced WW production in proton-proton collisions at the Large Hadron Collider provides a clean environment to probe the electroweak structure of the Standard Model. Quasi-real photons, emitted by the electromagnetic fields of the protons, collide peripherally. The protons that remain intact scatter into the forward region of the experiment, where the ATLAS Forward Proton (AFP) detectors can measure their kinematic properties. This enables the full kinematic reconstruction of the WW system, independent of the central ATLAS detector. This thesis presents the measurement of the semileptonic photon-induced WW production in Run 2 of LHC at a centre-of-mass energy of √s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 14.6 fb−1. Two reconstruction methods for the hadronically decaying W boson are studied: the resolved and boosted topologies. Both reconstructions are used to test the sensitivity to potential anomalous quartic gauge couplings. Data-driven techniques are employed to estimate background contributions, with cross-checks between different methods confirming consistency. Good agreement is observed between the background predictions and the observed number of events in data. The results are interpreted within the framework of the Standard Model Effective Field Theory, and are used to constrain the coefficients of dimension 8 operators. Confidence intervals for the anomalous quartic gauge couplings are derived, confirming existing limits

Across the Horizon: On Gravitational Wave Flux Laws and Tests of Gravity

Motivated by the recent first detection of a gravitational wave signal, this dissertation reviews and develops analytical, numerical, and data analysis techniques to address the remaining blind spots in the current understanding of gravity. Beginning with the definition of asymptotically flat spacetimes and the mathematical framework of null geodesic congruences, the derivation of the shear tensor—as the carrier of the radiative content of the gravitational field—is revisited. This is followed by an application of the covariant phase space formulation of General Relativity to derive a non-conservation law associated with the symmetry group at null infinity in asymptotically flat spacetimes. This approach is shown to generalize previous formulations of the radiative phase space in General Relativity, recovering consistent results. The physical interpretation of these flux laws is then employed to derive constraint equations, which serve as the foundation for evaluating and comparing state-of-the-art numerical waveform models. This analysis yields novel insights into commonly used models and establishes a robust algorithm for assessing future improvements in waveform modeling. The flux laws are subsequently applied to compute quantum corrections to the gravitational waveform strain, arising from the gravitational wave echo effect. A detailed discussion of the echo effect is presented, with focus on two leading phenomenological scenarios involving echoes from binary black hole merger events. Both the original echo signal in the strain and quantum corrections to its nonlinear structure are analyzed for their potential observability by the future space-based LISA detector. The results indicate that the echo effect lies within LISA’s sensitivity range, and that the mission could potentially probe black hole area quantization through these measurements. Finally, in light of recent evidence towards a detection of a stochastic gravitational wave background from Pulsar Timing Array data, the theoretical motivation for such a background is reviewed. Several scenarios contributing significant astrophysical and cosmological components of this background are examined. This comprehensive study culminates in a forecast for the detection prospects of the gravitational wave background with the LISA instrument, using a modern, ready-to-use data analysis pipeline. The findings suggest that LISA will be capable of constraining the extra-galactic stochastic gravitational wave background to levels below a dimensionless spectral energy density of at least \Omega_\T{GW} \lesssim 10^{-8}

Optical Wavefront Engineering and Optoelectronic Techniques for Neuromorphic Computing

Machine learning has emerged as a powerful tool for solving complex problems in various fields, including optics. The scalability of compute resources and energy consumption for larger AI models is, however, a major concern. Optics can be used to implement matrix-vector-multiplications, essential for neural networks, in an energy-efficient manner. However, optical non-linearities are difficult to implement with traditional optical methods. This work demonstrates an optoelectronic device that implements an optical MVM and an electronic non-linearity without the need for high intensities. The device operation is experimentally demonstrated and a scaled-up version is proposed that demonstrates an order of magnitude higher energy efficiency when compared to conventional hardware. In addition to improving ML implementations with optics, ML can be used to solve problems in optics, including in holography. Conventional holography uses a phase hologram to generate a target intensity pattern upon diffraction. A novel alternative is introduced: holography using only polarization. Conventional phase retrieval algorithms are insufficient to optimize such a hologram. This work demonstrates the use of gradient based optimization of neural networks incorporating a differentiable numerical model of polarized light propagation to optimize for a target intensity distribution as well as the joint optimization for a target intensity and polarization distribution post diffraction

Tissue Remodeling Promotes Polyploid Cell Proliferation and Chromosomal Instability in Exocrine Glands

Chromosomal instability (CIN) is a hallmark of cancer, implicated in both tumor initiation and progression. Yet, its origins in normal, untransformed tissues remain poorly understood. Polyploidy is a feature of many adult tissues – particularly in exocrine glands such as the pancreas and the mammary gland. Although polyploidy has been linked to CIN in malignancies, the role of polyploidy in mutation acquisition within naïve tissues remains largely unexplored. In this thesis, I investigate the link between polyploidy and CIN during tissue remodeling, utilizing organoid and in vivo models of pancreatic injury. I demonstrate that polyploid acinar cells contribute to regeneration by undergoing acinar-to-ductal metaplasia. This transition involves extensive cellular remodeling, including cell shrinkage, which disrupts proper spindle orientation, especially in binucleated, polyploid acinar cells. These spindle defects result in mitotic errors such as lagging chromosomes, chromatin bridges, and the formation of micronuclei. Crucially, I observe extensive DNA damage within these micronuclei, consistent with chromothripsis, revealing a pathway to CIN in untransformed cells. To explore the broader relevance of this mechanism, I employed a lactating mammary gland organoid model, that was developed under my supervision. In this model, polyploidy was induced through pregnancy hormone treatment mimicking transitions that occur to prepare the tissue for milk production during lactation. Strikingly, this model recapitulated the mitotic abnormalities and CIN observed in the pancreas, suggesting that polyploidy-associated chromosomal instability is a conserved feature of glandular tissues. Notably, all findings were obtained in primary, untransformed cells without genetic manipulation or genotoxic stress, supporting a physiological origin of CIN linked to polyploid cell division. To acquire these findings, I developed an imaging and image analysis workflow to quantitatively assess ploidy states, nuclear number, micronuclei frequency, and expression levels of key markers. This workflow is also detailed in the thesis. Together, my results uncover a novel mechanism by which normal polyploid cells contribute to CIN during tissue regeneration. This work provides new insights into the origins of chromosomal instability in regenerative contexts, highlighting the dual role of polyploidy in promoting both tissue repair and chromosomal mis segregation

Der Freiburger Grafeneck-Prozess: Die strafrechtlichen Verfahren gegen Dr. med. Ludwig Sprauer (1884 – 1962) und Dr. med. Arthur Josef Schreck (1878 – 1963) wegen der Tötung psychisch Kranker aus den badischen Heilanstalten während der nationalsozialistischen Diktatur.

Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs wurden zahlreiche Strafprozesse zur Verfolgung der Verbrechen des Nationalsozialismus geführt. Die NS-Euthanasie war dabei ein bedeutsamer Tatkomplex. Mehr als 300.000 psychisch Kranke, geistig Behinderte und altersschwache Menschen wurden durch die sogenannte Aktion T4 ermordet. Ludwig Sprauer war in den späten 1930er Jahren Leiter der Gesundheitsabteilung des Badischen Innenministeriums. Ab 1939 wurde er in die Aktion T4 einbezogen. Seine Aufgabe war es, die Verlegung und Tötung von unheilbar Geisteskranken aus den Heil- und Pflegeanstalten Südbadens zu organisieren. Arthur Josef Schreck war in mehreren Positionen an der Aktion T4 beteiligt. Er war Leiter der Pflegeanstalt Rastatt und nach deren Schließung kommissarischer Leiter der Anstalt Illenau. Zusätzlich wirkte er als Gutachter für die Meldebögen und leitete die Kinderfachabteilung in der Heil- und Pflegeanstalt Wiesloch. Die Dissertation untersucht den Grafeneck-Prozess, der am 21. Oktober 1948 vor dem Schwurgericht des Landgerichts Freiburg gegen Sprauer und Schreck begann. Die Ermittlun- gen und der Prozess selbst erscheinen als bemerkenswerte Beispiele für die Strafverfolgung von NS-Verbrechern in den frühen Nachkriegsjahren. Trotz zahlreicher Herausforderungen gelang es, das Verfahren zügig voranzutreiben und vergleichsweise hohe Strafen zu verhängen. Beide Angeklagte wurden zu lebenslänglich Zuchthaus verurteilt, wobei ihnen die bürgerlichen Ehrenrechte auf Lebensdauer aberkannt wurden. Durch die erste Revision kam es zu einer Reduktion des Strafmaßes. Es folgten weitere Revisionen, Anträge auf Haftunterbrechung und Gnadengesuche. Nach langen Bemühungen wurde im Juli 1954 die Umwandlung der Zuchthausstrafen in Gefängnisstrafen bewilligt, wobei der noch zu verbüßende Teil der Strafe aufgrund von Haftunfähigkeit ausgesetzt wurde. Zusätzlich wurden Sprauer und Schreck Unterhaltsbeiträge zugesprochen und die bürgerlichen Ehrenrechte wiederhergestellt. Im Laufe der Jahre wurden weitere finanzielle Unterstützungen gewährt und die Reststrafen schließlich erlassen. Die großzügige Vergabe von Gnadenerlassen war in den frühen 1950er Jahren populär. Dabei wurden die Verbrechen, die den Verurteilungen zugrunde lagen, weitgehend ausgeblendet oder als „Kriegsverbrechen“ abgetan. Erst in den späteren 1950er Jahren änderte sich die gesellschaftliche Einstellung. Diese spiegelte sich im Freiburger Grafeneck-Prozesses jedoch nicht wider. Sprauer und Schreck profitierten von der gesellschaftlichen Stimmung der „Schlussstrich-Mentalität“ und legten noch vor dem Umbruch den Grundstein für ihre relative Straffreiheit in der NS-Euthanasie

Psychische Belastung bei Kindern und Müttern während der COVID-19 Pandemie, Zusammenhang mit Pränatalstress, Cortisol und Psychopathologie als stressbezogene Prädiktoren in einer longitudinalen Geburtskohorte

Vielfach wurde Stress als ein wichtiger Faktor bei der Entstehung psychischer Erkrankungen nachgewiesen. Insbesondere in der frühen Phase der Entwicklung wirkt sich Stress auf die Gesundheit und Regulierung physiologischer Systeme aus. Das Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-System steuert die Ausschüttung des Stresshormons Cortisol und wurde als relevanter Moderator intensiv untersucht. In der bisherigen Forschung konnte gezeigt werden, dass Pränatalstress mit einer veränderten Regulierung der Cortisolausschüttung zusammenhängt. Des Weiteren gehen diese Veränderungen auch mit einem erhöhten Risiko für psychische Erkrankungen wie beispielsweise Depression einher. Dies konnte bei Kindern unterschiedlichen Alters beobachtet werden. Es existieren jedoch heterogene Ergebnisse hinsichtlich der Richtung der Assoziation von Pränatalstress und Cortisolausschüttung. Außerdem ist unklar, inwiefern sich die Stressreagibilität verändert und welche weiteren Stressoren im Verlauf des Lebens die Wahrnehmung und Verarbeitung von Stress beeinflussen. In der vorliegenden Arbeit wurde die psychische Belastung von n = 263 Kindern und n = 241 Müttern während der COVID-19 Pandemie untersucht. Außerdem wurden die Aktivität und Regulation des Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Systems des Kindes im Alter von 45 Monaten sowie früheres Stresserleben der Mutter als Prädiktoren für das Stresserleben während der Pandemie betrachtet. Die Erhebung wurde in zwei Abschnitte aufgeteilt. Der erste Teil wurde von Juli bis Oktober 2020 erhoben, der zweite Teil von November 2020 bis Februar 2021. Zur Einschätzung der psychischen Belastung wurde der CRISIS Fragebogen verwendet. Die Aktivität und Regulation des Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Systems des Kindes im Alter von 45 Monaten wurde anhand des Cortisols im Morgenurin und des Cortisols im Speichel nach einem Stresstest ermittelt. Das frühere Stresserleben der Mutter wurde anhand der Perceived Stress Scale gemessen. Zusätzlich wurden psychiatrische Diagnosen der Mutter anhand eines klinischen psychiatrischen Interviews (M.I.N.I.) erfasst. Die psychische Belastung der Kinder (F = 76,40; p < 0,001) und Mütter (F = 67,55; p < 0,001) war zu beiden untersuchten Zeitpunkten während der Pandemie höher verglichen zu vor der Pandemie. Dabei zeigte sich, dass die Kinder zum ersten Untersuchungszeitpunkt während der Pandemie im Vergleich zum zweiten eine höhere psychische Belastung hatten (t = 2,77; p = 0,006). Bei den Müttern konnte kein signifikanter Unterschied zwischen beiden Erhebungen (t = 0,45; p = 0,65) festgestellt werden. Zu allen drei erhobenen Zeitpunkten korrelierte die psychische Belastung der Kinder und die der Mütter (vor der Pandemie r = 0,43; p < 0,001; zum ersten Untersuchungszeitpunkt r = 0,59; p < 0,001; zum zweiten Untersuchungszeitpunkt r = 0,49; p < 0,001). Der pränatal erlebte Stress der Mutter war ein positiver Prädiktor für die Zunahme der psychischen Belastung des Kindes zur Pandemie (F = 4,58; p = 0,004; R2 = 0,063). Allerdings waren die frühere Aktivität und Regulation des Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Systems des Kindes im Alter von 45 Monaten keine signifikanten Prädiktoren. Das Stresserleben der Mutter sowohl vor der Geburt als auch im Alter des Kindes von 45 Monaten war ebenfalls kein signifikanter Prädiktor für die Änderung der psychischen Belastung der Mutter zur Pandemie. Eine frühere Major Depression der Mutter hing mit einer höheren psychischen Belastung der Mutter während der Pandemie zusammen. Die Korrelation war jedoch zu allen erhobenen Zeitpunkten gering (vor der Pandemie ρ = 0,31; p < 0,001; zum ersten Untersuchungszeitpunkt ρ = 0,23; p < 0,001; zum zweiten Untersuchungszeitpunkt ρ = 0,20; p = 0,013). Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen, dass sowohl Kinder als auch Mütter während der COVID-19 Pandemie eine erhöhte psychische Belastung hatten und diese miteinander korrelierte. Damit reihen sie sich in die Ergebnisse aktueller Forschung ein. Möglicherweise lässt sich der unterschiedliche Verlauf bei Kindern und Müttern durch eine Anpassung und Resilienz der Kinder sowie eine verbesserte Unterstützung durch das soziale Umfeld erklären. Die Ergebnisse zeigen, dass während Zeiten hoher psychischer Belastung nicht nur die psychische Gesundheit der Kinder, sondern auch die der Eltern sowie die Eltern-Kind-Beziehung gestärkt werden sollte, um eine gesunde kindliche Entwicklung zu fördern. Zudem hatte Pränatalstress als Prädiktor einen Einfluss auf die psychische Belastung des Kindes. Dies bestärkt die Hypothese, dass Pränatalstress langfristig Einfluss auf die psychische Gesundheit von Kindern nimmt. In zukünftigen Erhebungen dieser Kohorte sollten die stressbedingten Faktoren Pränatalstress sowie die Aktivität und Regulation des Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Systems der Kinder weitergehend untersucht werden. Möglicherweise lassen sich zu einem späteren Zeitpunkt Veränderungen und auch Zusammenhänge zu früheren Ergebnissen feststellen. Außerdem sollte untersucht werden, ob die psychische Belastung während der Pandemie die Gesundheit und Entwicklung der Kinder, insbesondere die Stresswahrnehmung und -verarbeitung, im Verlauf beeinflusst

High-precision Penning-trap Measurement of the Helium-3 Atomic Mass

This work presents a high-precision atomic mass measurement of helium-3. The measurement was performed using the Penning-trap mass spectrometer Liontrap, where the cyclotron frequency of the helium ion was measured relative to that of a carbon ion, which serves as a standard in atomic mass units. With a relative uncertainty of 1.2 × 10−11, this result represents the most precise mass measurement of helium-3 in atomic mass units to date. It contributes to resolving the “Light Ion Mass Puzzle” - inconsistencies in the measured masses of light nuclei, namely the proton, deuteron, and helium-3, reported by different Penning-trap mass spectrometers in the past. By demonstrating consistency between the results from Liontrap and those from the group at Florida State University, while simultaneously highlighting a discrepancy with the results from the University of Washington (UW), this work suggests that the earlier Penning-trap measurements by the UW group may have underestimated the uncertainty in their results. Consequently, confidence in Penning-trap measurements of light ion masses - fundamental constants used to test the validity of the Standard Model - is restored. During the course of this work, the experimental setup was upgraded to allow for the production of helium-3 ions and an improved detection system. Additionally, a new analysis approach was introduced, which effectively suppresses the dominant systematic effect observed in previous Liontrap measurements, the lineshape effect, by a factor of more than 100. Furthermore, a phase-sensitive method for measuring the axial frequency has been developed, showing promising potential for improving the statistical precision achievable in Penning-trap experiments in general. The measurement presented in this thesis concludes a series of studies on light ions conducted at Liontrap, and the experimental setup is now being repurposed for lepton symmetry tests at MPIK

Elucidating the role of SHOX2 in atrial fibrillation using a patient-derived human induced pluripotent stem cell model

The sinoatrial node (SAN) is the primary pacemaker of the heart, where the pulse necessary for cardiac contraction arises to be propagated to the cardiac chambers via the cardiac conduction system. The transcription factor short stature homeobox 2 ( SHOX2 ) is essential for the development and function of the SAN, activating a transcriptional program for pacemaker development while suppressing differentiation towards working myocardium during cardiogenesis. Variants in the SHOX2 gene have been associated with atrial fibrillation (AF), the most common cardiac arrhythmia. However, the pathomechanisms behind SHOX2 dependent AF and the SHOX2 regulatory genetic network have not been fully understood. Until now, the impact of Shox2 deficiency has only been investigated in mouse or zebrafish animal models. Therefore, the aim of this thesis was to gain new insights from a human background and to investigate whether data obtained via animal models can be transferred to a human model system. At the beginning of this work, two induced pluripotent stem cell (iPSC) lines from two different patients with early onset AF were available, carrying a heterozygous single nucleotide variant either in the 3’UTR or in the coding region of SHOX2. A targeted correction of these variants had already been performed to generate isogenic control lines. First, I generated two homozygous SHOX2 KO iPSC lines from the available cell lines and validated them using several methods. Furthermore, I established and adapted previously published differentiation protocols to generate pacemaker and atrial cardiomyocytes (CMs) from iPSCs. To uncover variant specific changes in the two patient lines that contribute to the disease phenotype, I performed comparative profiling with their isogenic controls using gene expression analysis, single cell RNA sequencing and electrical phenotyping. Gene expression profiling of iPSC derived CMs confirmed several deregulated gene expression patterns known from animal models and uncovered additional dysregulation. Data from Single cell RNA sequencing revealed a possibly impaired differentiation capability and disturbed mitochondrial function in the patient cells. In CMs of the 3’UTR variant patient line, changed action potential characteristics were discovered, which notably could be attributed to differential ion channel expression. M ost strikingly, upregulation of the Na+ channel SCN5A led to an increased action potential upstroke velocity and amplitude, and upregulation of several K+ channels caused a shortened repolarization time observed in the patient line. Thus, novel disease mechanisms causing SHOX2 dependent AF as well as underlying molecular mechanisms and potential targets for adapted treatment strategies could be uncovered. Overall, the established human iPSC model and the differentiated cardiac cell types provide a valuable tool to further dissect the detailed molecular mechanisms of SHOX2 dependent AF in the future

Statistical Inference in Cosmology - From Parameters to Learnable Functions

Inference tasks on non-Gaussian posterior distributions are commonly approached using Markov chain Monte Carlo. We draw an analogy to canonical partition functions defined as Laplace transforms of the Bayesian likelihood and prior. This allows to derive analytical expressions for cumulants of the posterior. At second order, we recover the conventional Fisher matrix formalism. We find a closed formula for cumulants of weakly non-Gaussian posteriors. Additionally, we use this formalism to construct physically motivated convergence criteria with clearly defined target values based on virialization, equipartition, and thermalization of the Markov chain. We successfully validate these approaches using a dark energy model applied to supernova data. To speed up forward simulation we use physics-informed neural networks (PINNs). They provide fast and accurate predictions of the luminosity distance for a given choice of parameters. Using the same architecture we perform a model-independent, parameter-free reconstruction of the Hubble function. The PINN uncertainties are quantified using a heteroscedastic loss and repulsive ensembles. Continuing in the vein of fast simulations, we construct the parallelized inflation solver PARALLIZIS, based on the Madelung transformed perturbation equations. It provides a forward simulation from arbitrary inflaton potentials to the primordial power spectrum, while allowing for GPU parallelization