https://ediss.sub.uni-hamburg.de:443 ediss captures, stores, indexes, preserves, and distributes digital research material. Fri, 16 Oct 2026 00:02:48 GMT 2026-10-16T00:02:48Z https://ediss.sub.uni-hamburg.de:443/handle/ediss/12664 Title: Phenomenology of Photon Colliders: Illuminating the Frontiers of Fundamental Physics Authors: Berger, Marten Abstract: The Standard Model (SM) of particle physics provides an exceptionally successful description of fundamental particles and their interactions. Nevertheless, several open questions, including the structure of the Higgs sector and the possible existence of weakly coupled new particles beyond the SM, motivate the exploration of future collider concepts capable of extending the current experimental reach. Among the proposed future collider technologies, photon colliders provide a uniquely clean and highly controllable environment for precision studies of photon-photon interactions, combining sensitivity to both SM processes and new physics signatures. In particular, photon colliders offer direct access to processes such as light-by-light (LbyL) scattering and Higgs pair production, while also enabling searches for new scalar and pseudoscalar particles coupled to photons. This thesis investigates the phenomenology of future photon colliders operating across both the low-GeV and high-energy regimes. Two distinct collider concepts are studied: optical photon collider setups based on conventional laser systems and XFEL-based Compton Collider (XCC) setups employing X-ray free electron lasers. Realistic luminosity spectra for both types of photon colliders at three different energies are obtained using CAIN Monte Carlo simulations, including beam-induced effects such as multiple scattering as well as Breit-Wheeler and Bethe-Heitler processes. The studies demonstrate that realistic beam effects significantly influence the resulting luminosity spectra and therefore have to be included consistently in phenomenological analyses. In addition, low-energy photon collider scenarios based on the existing European XFEL infrastructure are investigated as possible test facilities for future photon collider technologies. The first phenomenological focus of this work is the process of LbyL scattering in QED, $\gamma\gamma\to\gamma\gamma$, including searches for axion-like particles (ALPs) in the same final-state signature. The helicity amplitudes for the SM process are calculated, including both fermionic and gauge sector contributions, and combined with the simulated collider luminosity spectra. The results show that future photon colliders can produce very large event samples for LbyL scattering, enabling precision studies over a broad range of centre-of-mass energies. The analysis is further extended by including ALP-mediated contributions to the scattering amplitudes. Characteristic interference effects between the SM and ALP contributions are identified, leading to resonance peak and peak-dip structures in the invariant mass spectrum. The obtained sensitivities demonstrate that future photon colliders could probe currently unconstrained regions of ALP parameter space and improve existing bounds on the ALP-photon coupling in selected mass regions by more than one order of magnitude. The second phenomenological focus of this thesis is exploring the Higgs potential at the photon collider via Higgs pair production, within both the $\kappa$-framework and Higgs Effective Field Theory (HEFT), with particular emphasis on the trilinear Higgs self-coupling. Helicity amplitudes for the process are derived and analysed for multiple coupling configurations. The results show that the dependence of the Higgs pair production cross-section on the trilinear Higgs self-coupling differs fundamentally from that observed at hadron and $e^+e^-$ colliders, demonstrating the complementarity of photon collider measurements. In addition, the studies reveal strong energy-dependent correlations between different Higgs coupling modifiers and show that a consistent effective field theory treatment is required once multiple coupling modifications are considered simultaneously. Collider-level sensitivity studies demonstrate that future photon colliders could significantly constrain multidimensional Higgs coupling parameter spaces, particularly when combining measurements performed at different centre-of-mass energies. These studies demonstrate that future photon colliders provide a highly complementary environment for precision SM measurements and searches for new physics, while low-energy photon collider concepts based on existing accelerator infrastructure, e.g. like XFEL, could serve as important test facilities for the development of future high-energy photon collider technologies.; Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik liefert eine außerordentlich erfolgreiche Beschreibung fundamentaler Teilchen und ihrer Wechselwirkungen. Dennoch motivieren mehrere offene Fragen, darunter die Struktur des Higgs-Sektors sowie die mögliche Existenz schwach gekoppelter neuer, nicht im SM enthaltener, Teilchen, die Untersuchung zukünftiger Beschleunigerkonzepte, welche die derzeitige experimentelle Reichweite erweitern können. Unter den vorgeschlagenen zukünftigen Beschleunigertechnologien bieten Photon-Beschleuniger eine einzigartig saubere und hochgradig kontrollierbare Umgebung für Präzisionsuntersuchungen von Photon-Photon-Wechselwirkungen und vereinen dabei Sensitivität sowohl gegenüber Prozessen des SM als auch gegenüber Signaturen neuer Physik. Insbesondere ermöglichen Photon-Beschleuniger direkten Zugang zu Prozessen wie der Licht-an-Licht-Streuung (LbyL) und der Higgs-Paarproduktion, während sie gleichzeitig die Suche nach neuen skalaren und pseudoskalaren Teilchen erlauben, die an Photonen koppeln. In dieser Arbeit wird die Phänomenologie zukünftiger Photon-Beschleuniger untersucht, die sowohl im niedrigen GeV-Bereich als auch im Hochenergiebereich operieren. Dabei werden zwei unterschiedliche Collider-Konzepte betrachtet: optische Photon-Beschleuniger-Setups basierend auf konventionellen Lasersystemen sowie XFEL-basierte Compton Collider (XCC)-Setups unter Verwendung von Röntgenlaser. Realistische Luminositätsspektren für sechs verschiedene Collider-Szenarien werden mithilfe von CAIN-Monte-Carlo Simulationen bestimmt, wobei strahlinduzierte Effekte wie Mehrfachstreuung sowie Breit-Wheeler- und Bethe-Heitler-Prozesse berücksichtigt werden. Die Untersuchungen zeigen, dass realistische Strahleffekte die resultierenden Luminositätsspektren signifikant beeinflussen und daher konsistent in phänomenologische Analysen einbezogen werden müssen. Zusätzlich werden niederenergetische Photon-Beschleuniger-Szenarien basierend auf der bestehenden Infrastruktur des European XFEL als mögliche Testeinrichtungen für zukünftige Photon-Beschleuniger-Technologien untersucht. Der erste phänomenologische Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Prozess der LbyL-Streuung in der QED, $\gamma\gamma\to\gamma\gamma$, einschließlich der Suche nach axionähnlichen Teilchen (ALPs) im Prozess mit gleichem Endzustand. Die Helizitätsamplituden des SM-Prozesses werden unter Einbeziehung sowohl fermionischer als auch eichsektorbedingter Beiträge berechnet und mit den simulierten Collider-Luminositätsspektren kombiniert. Die Ergebnisse zeigen, dass zukünftige Photon-Beschleuniger sehr große Ereignisraten für LbyL-Streuung erzeugen können und dadurch Präzisionsuntersuchungen über einen breiten Bereich von Schwerpunktsenergien ermöglichen. Die Analyse wird zusätzlich durch ALP induzierte Beiträge zu den Streuamplituden erweitert. Charakteristische Interferenzeffekte zwischen den Beiträgen des SM und der ALPs werden identifiziert, die zu Resonanzpeaks sowie Peak-Dip-Strukturen im invarianten Massenspektrum führen. Die erhaltenen Sensitivitäten zeigen, dass zukünftige Photon-Beschleuniger derzeit noch unzugängliche Bereiche des ALP-Parameterraums untersuchen und bestehende Grenzen für die ALP-Photon-Kopplung in ausgewählten Massenbereichen um mehr als eine Größenordnung verbessern könnten. Der zweite phänomenologische Schwerpunkt dieser Dissertation ist die Higgs-\linebreak[4]Paarproduktion an Photon-Beschleunigern sowohl im $\kappa$-Framework als auch innerhalb der Higgs Effective Field Theory (HEFT), mit besonderem Fokus auf die trilineare Higgs-Selbstkopplung. Die Helizitätsamplituden des Prozesses werden für verschiedene Kopplungskonfigurationen hergeleitet und analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Abhängigkeit des Wirkungsquerschnitts der Higgs-Paarproduktion von der trilinearen Higgs-Selbstkopplung grundlegend von jener an Hadronen- und $e^+e^-$-Beschleunigern unterscheidet und damit die Komplementarität von Photon-Beschleuniger-Messungen demonstriert. Darüber hinaus zeigen die Untersuchungen starke energieabhängige Korrelationen zwischen verschiedenen Higgs-Kopplungsmodifikatoren und verdeutlichen, dass eine konsistente Beschreibung im Rahmen effektiver Feldtheorien erforderlich ist, sofern mehrere Kopplungsmodifikationen gleichzeitig berücksichtigt werden. Sensitivitätsstudien auf Beschleuniger-Ebene zeigen, dass zukünftige Photon-Beschleuniger multidimensionale Parameterbereiche der Higgs-Kopplungen signifikant einschränken könnten, insbesondere durch die Kombination von Messungen bei unterschiedlichen Schwerpunktsenergien. Diese Untersuchungen zeigen, dass zukünftige Photon-Beschleuniger eine hochgradig komplementäre Umgebung für Präzisionsmessungen des SMs und die Suche nach neuer Physik darstellen, während niederenergetische Photon-Beschleuniger-Konzepte basierend auf bestehender Beschleunigerinfrastruktur als wichtige Testeinrichtungen für die Entwicklung zukünftiger Hochenergie-Photon-Beschleuniger Technologien dienen könnten. Thu, 15 Oct 2026 14:59:32 GMT https://ediss.sub.uni-hamburg.de:443/handle/ediss/12664 2026-10-15T14:59:32Z https://ediss.sub.uni-hamburg.de:443/handle/ediss/12651 Title: Microwave Cavities for High-Frequency Gravitational Wave Sensing: Theoretical Foundations and Future Prospects Authors: Krokotsch, Tom Benedikt Abstract: The current state-of-the-art technology for detecting gravitational waves are optical cavities excited with high-power lasers. However, the quest for extending detector sensitivities into gravitational wave frequencies above $10\,\text{kHz}$ has sparked new interest in using detectors based on microwave cavities instead. In this thesis, we investigate the motivation behind using microwave cavities, develop a comprehensive formalism to calculate their sensitivity to gravitational waves, and study how optimizing the size and geometry of the cavity can open windows into new physics. We particularly focus on the superconducting `MAGO' cavity as an example for realizing a microwave cavity-based gravitational wave detector for frequencies $\sim10\,\text{kHz}$. We start by motivating the exploration of high-frequency gravitational waves and giving an overview of the experimental status of the field. Next, we introduce two coordinate systems we will need to describe gravitational wave detectors and derive a new integral formulation of the transformation between them, which is valid for gravitational waves with arbitrary spectral shapes such as compact binaries. To describe the complete interaction of gravitational waves with electromagnetic cavities, we present a novel relativistic cavity perturbation theory for both the electromagnetic fields in the cavity and the mechanical response of the cavity boundary, including electromagnetic forces on the cavity boundary. Then we apply this framework to microwave cavities in static magnetic fields and to superconducting cavities excited with radio-frequency power and prove that our description is coordinate-invariant. We continue by quantizing the equations of motion for the cavity and deriving the quantum noise floor. We further calculate classical noise sources relevant for microwave cavities loaded with oscillating electromagnetic fields and discuss their effects on the gravitational wave sensitivity, including back-action of the fields on the cavity boundary. The signal and noise calculations allow us to argue that superconducting microwave cavities hold the potential of similar or more high-frequency gravitational wave sensitivity per cavity volume and bandwidth than optical cavities. For an explicit realization of such a detector, we focus on the MAGO cavity and present a theoretical analysis of its electromagnetic spectrum, its readout system, and the predicted noise budget from simulation. Afterwards, we describe how the cavity geometry affects the gravitational wave sensitivity of superconducting microwave cavities and present results from a numerical geometry optimization. We conclude by evaluating the sensitivity of the MAGO cavity, a larger optimized cavity, and a significantly scaled-up superconducting microwave cavity to different gravitational wave sources and find that the technology can, in principle, probe cosmological gravitational waves at unexplored frequencies. Thu, 15 Oct 2026 12:34:56 GMT https://ediss.sub.uni-hamburg.de:443/handle/ediss/12651 2026-10-15T12:34:56Z https://ediss.sub.uni-hamburg.de:443/handle/ediss/12656 Title: Essays on Central Bank Communication Authors: Diaf, Sami Abstract: The thesis undertakes an investigation into central banks' communication under a textual perspective. The objective is to test hypotheses related to preferences, uncertainty and ambiguity. The emphasis was placed on explainability and the extraction of granular patterns pertaining to narrative economics. Thu, 15 Oct 2026 12:14:25 GMT https://ediss.sub.uni-hamburg.de:443/handle/ediss/12656 2026-10-15T12:14:25Z https://ediss.sub.uni-hamburg.de:443/handle/ediss/12652 Title: Thermodynamic Behavior of Nanoconfined Water in Surface-Engineered Periodic Mesoporous Organosilicas Authors: Lenz, Philip Thu, 15 Oct 2026 11:43:32 GMT https://ediss.sub.uni-hamburg.de:443/handle/ediss/12652 2026-10-15T11:43:32Z