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The small photoreceptor Photoactive Yellow Protein (PYP) enters a reversible photocycle after excitation with blue light. The intermediate states are formed on timescales ranging from femtoseconds to seconds including chromophore isomerization and protonation as well as large structural rearrangements. To obtain local dynamic information the vibrational label thiocyanate (SCN) can be inserted site-specifically at any desired position in the protein by cysteine mutation and cyanylation. The label's CN stretch vibration is highly sensitive to polarity, hydrogen bonding interactions and electric fields and is spectrally well separated from the overlapping protein absorptions. During the course of this thesis it was impressively demonstrated that the successful incorporation of the SCN label at selected positions in PYP provides a powerful tool to study structure changes and dynamics during the photocycle and enhance the local information that are obtained by infrared (IR) spectroscopic methods. Hence the SCN-labeled protein mutants were studied under equilibrium (steady-state) and non-equilibrium conditions.
Examination of the SCN absorption by FTIR spectroscopy showed the influence of various local environments on the label for different locations in the dark state. The response of the label under illumination with blue light reveals information about structural changes in the signaling state. Additional information for both states were obtained by the vibrational lifetime of the CN vibration measured via ultrafast IR-pump-IR-probe experiments. This observable is particularly sensitive for solvent exposure of the label. Time-resolved IR spectroscopy proved to be an excellent method to follow the protein dynamics throughout most part of the photocycle on a hundreds of femtoseconds to milliseconds timescale. By close inspection of protein and chromophore dynamics in wildtype-PYP over nine decades in time, new insights into the changes leading to the proposed photocycle intermediates were obtained. The investigation of the SCN label allowed to follow the different transient structure changes with high local resolution. Depending on its position within the protein the response of the label provided additional information on the photocycle transitions.
The insights that are obtained by the different observables in the steady-state and by the reaction of the SCN label to formation of the different intermediate states during the photocycle contribute to an improved understanding of local, light-induced structure changes in the photoreceptor PYP. This comprehensive study demonstrated the potential provided by the application of SCN as IR label for investigation of protein dynamics.
Proteine sind die Maschinen der Zellen. Um die Funktionalität von zahlreichen zellulären Prozessen zu gewährleisten, müssen Kommunikationssignale innerhalb von Proteinen weitergeleitet werden. Die Weiterleitung einer Störung an einem Ort im Protein zu einer entfernten Stelle, an welcher sie strukturelle und/oder dynamische Änderungen auslöst, wird Allosterie genannt. Zunächst wurde Allosterie hauptsächlich mit großräumigen Konformationsänderungen in Verbindung gebracht, aber später entwickelte sich ein dynamischerer Blickwinkel auf Allosterie in Abwesenheit dieser großräumigen Konformationsänderungen. Die Idee eines allosterischen Pfades bestehend aus konservierten und energetisch gekoppelten Aminosäuren, welche die Signalweiterleitung zwischen entfernten Stellen im Protein vermitteln, entstand. Diese allosterischen Pfade wurden durch zahlreiche theoretische Studien in Zusammenhang mit Pfaden effizienten anisotropen Energieflusses gebracht. Der Energiefluss entlang dieser Netzwerke verknüpft allosterische Signalübertragung mit Schwingungsenergietransfer (VET - vibrational energy transfer). Die Großzahl der Forschungsarbeiten über dynamische Allosterie basiert auf theoretischen Methoden, weil nur wenige geeignete experimentelle Verfahren existieren. Um diesen essentiellen biologischen Prozess der Informationsübertragung besser verstehen zu können, ist die Entwicklung neuer und leistungsstarker experimenteller Instrumente und Techniken daher dringend erforderlich. Die vorliegende Dissertation setzt sich dies zum Ziel.
VET in Proteinen ist aufgrund der Proteingeometrie inhärent anisotrop. Alle globulären Proteine besitzen Kanäle effizienten Energieflusses, von denen vermutet wird, dass sie wichtig für Proteinfunktionen, wie die schnelle Ableitung von überschüssiger Wärme, Ligandenbindung und allosterische Signalweiterleitung, sind. VET kann mit zeitaufgelöster Infrarot (IR) Spektroskopie untersucht werden, bei welcher ein Femtosekunden Anregepuls eines Lasers Schwingungsenergie in ein molekulares System an einer bestimmten Stelle injiziert und ein, nach einem veränderbarem Zeitintervall folgender, IR Abfragepuls die Ausbreitung dieser Schwingungsenergie detektiert. Ein protein-kompatibler und universell einsetzbarer Chromophor, der die Energie eines sichtbaren Photons in Schwingungsenergie konvertiert, wird als Heizelement benötigt um langreichweitige VET Pfade in Proteinen kartieren zu können. Der Azulen (Azu) Chromophor eignet sich dafür, weil er nach Photoanregung des ersten elektronischen Zustandes durch ultraschnelle interne Konversion fast die gesamte injizierte Energie innerhalb von einer Picosekunde in Schwingungsenergie umwandelt. Eingebettet in die nicht-kanonische Aminosäure (ncAA - non-canonical amino acid) ß-(1-Azulenyl)-L-Alanine (AzAla), kann der Azu Rest in Proteine eingebaut werden. Die Ankunft der injizierten Schwingungsenergie an einer bestimmten Stelle im Protein kann mithilfe eines IR Sensors detektiert werden. Die Kombination aus Azu als VET Heizelement und Azidohomoalanine (Aha) als VET Sensor mit transienter IR (TRIR) Spektroskopie wurde schon erfolgreich an kleinen Peptiden in der Dissertation von H. M. Müller-Werkmeister getestet, die der vorliegenden Dissertation in den Laboren der Bredenbeck Gruppe vorausging.
Die Schwingungsfrequenz chemischer Bindungen ist hochempfindlich auf selbst kleine Änderungen der Konformation und Dynamik in der unmittelbaren Umgebung und kann mit IR Spektroskopie gemessen werden, z. B. mit Fourier Transform IR (FTIR) Spektroskopie. IR Spektroskopie bietet eine außergewöhnlich gute Zeitauflösung, die es ermöglicht, dynamische Prozesse in Molekülen auf einer Zeitskala von wenigen Picosekunden zu beobachten, wie z. B. die ultraschnelle Weiterleitung von Schwingungsenergie. Mit zweidimensionaler (2D)-IR Spektroskopie können die Relaxation von schwingungsangeregten Zuständen und strukturelle Fluktuationen um die schwingende Bindung untersucht werden. Allerdings geht die herausragende Zeitauflösung mit limitierter spektraler Auflösung einher. In größeren Molekülen mit zahlreichen Bindungen überlagern sich die Schwingungsbanden und die Ortsauflösung geht verloren. Um diese Limitierung zu überwinden, können IR Marker benutzt werden, chemische Gruppen, die in einer spektral durchsichtigen Region des Protein/Wasser Spektrums (1800 bis 2500 cm-1) absorbieren. Als ncAA können sie kotranslational in Proteine an einer gewünschten Stelle eingebaut werden und so ortsspezifische Informationen aus dem Proteininneren liefern. Aufgrund ihrer geringen Größe, eines relativ großen Extinktionskoeffizientens (350-400 M-1cm-1) und einer hohen Empfindlichkeit auf Änderungen in der lokalen Umgebung sind organische Azide (N3) wie zum Beispiel Aha besonders geeignete IR Marker. Aha kann als Methionin Analogon ins Protein eingebaut werden.
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Während den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall glaubt man, dass unser Universum aus einer heißen, dichten und stark wechselwirkenden Materie bestanden haben soll, welche man das Quark-Gluonen-Plasma (QGP) nennt.
In diesem Medium sind die elementaren Bausteine der Materie, die Quarks und die Gluonen, nicht mehr in Hadronen gebunden, sondern können sich stattdessen wie quasi-freie Teilchen verhalten.
Für die ALICE Kollaboration an CERN's Large Hadron Collider (LHC) ist die Untersuchung dieses Mediums eines der Hauptziele. Um dieses Medium im Labor zu erzeugen, werden Protonen und Nukleonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend zur Kollision gebracht. Dabei werden Schwerpunktsenergien von bis zu 13 TeV bei Proton-Proton (pp) Kollisionen und bis zu 5.02 TeV bei Blei-Blei (Pb--Pb) Kollisionen erreicht.
Bei solchen hochenergetischen Kollisionen werden die kritischen Werte der Energiedichte und Temperatur von jeweils ungefähr 1 GeV/c und undgefähr 155 MeV überschritten, welche mithilfe von "lattice QCD" bestimmt wurden. Sie bieten daher die perfekten Voraussetzungen für einen Phasenübergang von normaler Materie zu einem QGP.
Die Entwicklung eines solchen Mediums, beginnend bei der eigentlichen Kollision, gefolgt von der Ausbildung des Plasmas und der letztendlichen Hadronisierung, kann jedoch nicht direkt untersucht werden, da das Plasma eine extrem kurze Lebensdauer hat.
Die Studien die das QGP untersuchen möchten, müssen sich deshalb auf Teilchenmessungen und deren Veränderung aufgrund von Einflüssen durch das Medium beschränken.
Es ist noch nicht definitiv geklärt, ob sich ein QGP nur in Kollisionen schwerer Ionen bildet, oder ob dies auch in kleineren Kollisionssystemen wie Proton-Proton oder Proton-Blei der Fall ist.
Damit in dieser Thesis Einschränkungen bezüglich einer möglichen Erzeugung eines mini-GQP in kleinen Kollisionssystemen gemacht werden kann, wird der Fokus auf Messungen von neutralen Pionen und Eta Mesonen mit dem ALICE Detektor am CERN LHC gesetzt. Hierfür wird in einem Referenzsystem von Proton-Proton Kollisionen bei sqrt(s)=8 TeV und in einem Proton-Blei (p--Pb) System bei sqrt(sNN)=8.16 TeV, welches eine nukleare Modifikation erfährt, gemessen und die Ergebnisse verglichen.
Da in Proton-Proton Kollisionen die Bildung eines QGP, aufgrund zu geringer Energiedichte, nicht erwartet wird, dient eine Messung in diesem System als Messbasis, um Effekte der Kollision selbst von Effekten nach der Kollision zu separieren, welche die Teilchenproduktion beeinflussen.
Teilchen können zusätzlich zu dem QGP auch mit kalter Kernmaterie interagieren, was sich in asymmetrischen Proton-Blei Kollisionen testen lässt. In diesem Kollisionssystem wird größtenfalls ein vergleichsweise kleines QGP gebildet, wohingegen das Blei Ion selbst als kalte Kernmaterie agieren kann.
Zusätzlich zu den Mesonenmessungen wird in dieser Thesis auch die Erzeugung von direkten Photonen bei niedrigen Transversalimpulsen (pT) in multiplizitätsabhängigen p--Pb Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von sNN=5.02 TeV gemessen, welche als direkte Probe, sowie als charakteristisches Signal des QGP gilt.
Die neutralen Pionen, welche in dieser Thesis gemessen werden, kann man als einen Überlagerungszustand der zwei leichtesten Quarksorten, dem "up" (u) und dem "down" (d) Quark, sowie deren entsprechenden Anti-Teilchen verstehen.
Das eta meson hingegen hat einen zusätzlichen Anteil des "strange" Quarks und eine resultierende höhere Masse.
Quarks sind Teil des Standardmodells der Teilchenphysik, welches die Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden Elementarkräfte, ausgeübt durch Bosonen, beschreibt.
Das Modell umfasst insgesamt sechs Quarks, welche sich durch ihre Masse und Ladung unterscheiden und als Grundbestandteil von gebundenen Zuständen, sogenannten Hadronen, fungieren.
Die "up" und "down" Quarks gelten hierbei als die leichtesten Quarks und kommen daher am häufigsten in der Natur vor. Das bekannteste Beipiel stellen hier die allgemein bekannten Protonen (uud) und Neutronen (udd) dar, welche die Grundkomponenten von Nukleonen sind.
Die restlichen Quarks tragen eine deutlich höhere Masse und haben daher eine große Tendenz, sich in leichtere Quarks umzuwandeln, wodurch ihre Lebensdauer sehr gering ist. Die "top" und "bottom" Quarks, welche die Schwersten sind, können daher nicht in gewöhnlicher Materie gefunden werden.
Sie können jedoch experimentell durch hoch energetische Teilchenkollisionen erzeugt werden und indirekt über ihre Zerfallsprodukte nachgewiesen werden.
Quarks tragen eine elektrische Ladung von entweder 1/3 oder 2/3, sowie eine Farbladung, wobei Letztere verantwortlich für ihre Bindung in Hadronen ist.
Hadronen bestehen entweder aus drei Quarks, dann werden sie Baryonen genannt, oder aus einem Quark-Antiquark Paar, welches Meson genannt wird.
Diese gebundenen Zustände erfüllen eine insgesamt neutrale Farbladung, sowie eine vollzählige elektrische Ladung.
Des Weiteren gibt es auch exotische Penta-Quark Zustände, welche aus vier Quarks und einem Antiquark bestehen und bereits experimentell nachgewiesen wurden.
Aufgrund der starken Wechselwirkung, welche durch Gluonen vermittelt wird, können Quarks nicht einzeln beobachtet werden.
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The requirement of the versatile signal generator has always been evident in modern RF and communication systems. The most conventional technique, voltage control oscillator (VCO), has inferior phase noise and narrow bandwidth despite its operating frequency can be up to the sub-THz regime. Its phase noise influenced by a various parameter associated with the oscillator circuit e.g. transistor size \& noise, bias current, noise leaking from the bias supply etc. The bandwidth is limited because the input voltage \& the output frequency of the VCO is not strictly linear over the tuning range. The phase noise and SFDR of the VCO output are enhanced by using the phase-lock technique. The phase-locked loop (PLL) uses the feedback system locking the reference frequency set by the VCO. However, the settling time of the PLL is higher due to a feedback control loop. The higher settling time increases the frequency switching time between PLL outputs. IG-oscillators is suitable for multi-GHz range and wide bandwidth application. Signal generation can alos be achieved by the free-electron radiation, optical lasers, Gunn diodes as well and they can operate even at the THz domain. All these signal generators suffer from slow frequency switching, lack of digital controllability, and advance modulation capability even though their frequency of operation is THz regime. Alternatively, the AWG (arbitrary wave generator) can produce a wide range of frequencies with low phase noise, including digital controllability. One of the vital components of the AWG is the direct digital synthesiser (DDS). Generally, it is composed of a phase accumulator, digital to analogue converter, sine mapping circuits and low pass filter. It needs a reference clock that acts as samples of the DDS outputs. Its output frequency can be varied by applying an appropriate digital input code. But high-speed DDS has several limitations; such as low number of output frequency points, lack of phase control unit, high power consumptions etc. This work addresses such limitations.
Hofstadter-Hubbard physics
(2020)
The Hofstadter model, besides the Haldane and Kane-Mele models, is the most common tight-binding model which hosts topologically nontrivial states of matter. In its time-reversal-symmetric formulation the model can even describe topological insulators. Experimentally, the Hofstadter model was realized with ultracold quantum gases in optical lattices which is a wellcontrolled way to engineer quantum states of tight-binding Hamiltonians. Another established control parameter in ultracold quantum gases are twoparticle, on-site interactions, also known as Hubbard interactions. This work aims at introducing the reader to the concepts of topological states of matter, a collection of corresponding tight-binding models, and the methodology to treat interacting topological states with dynamical mean-field theory.We present recent results for inhomogeneous, interacting systems, spinimbalanced magnetic systems, propose experimental detection methods, and extensions to three-dimensional topological states.
This Dissertation deals with the development of FAIR-relevant X-ray diagnostics based on the interaction of lasers and particle beams with matter. The associated experimental methods are supposed to be employed in the HIHEX-experiments in the HHT-cave of the GSI Helmholtz Center for Heavy-Ion Research GmbH (GSI) in Phase-0 and in the APPA-cave at the Facility for Antiproton and Ion Research in Darmstadt, Germany.
Diagnostic of high aerial density targets that will be used in FAIR experiments demands intense and highly penetrating X-ray sources. Laser generated well-directe relativistic electron beams that interact with high Z materials is an excellent tool for generation of short-pulse high luminous sources of MeV-gammas.
In pilot experiments carried out at the PHELIX laser system, GSI Darmstadt, relativistic electrons were produced in a long scale plasma of near critical electron density (NCD) by the mechanism of the direct laser acceleration (DLA). Low density polymer foam layers preionised by a well-defined nanosecond laser pulse were used as NCD targets. The analysis of the measured electron spectra showed up to 10- fold increase of the electron "temperature" from T_Hot = 1–2 MeV, measured for the case of the interaction of 1–2 ×10^19 Wcm^(−2) ps-laser pulse with a planar foil, up to 14 MeV for the case when the relativistic laser pulse propagates through the by a ns-pulse preionised foam layer. In this case, up to 80–90 MeV electron energy was registered. An increase of the electron energy was accompanied by a strong increase of the number of relativistic electrons and well-defined directionality of the relativistic electron beam measured to be (12 ±1)° (FWHM). This directionality increases the gamma flux on target by far compared to the soft X-ray sources.
Additionally to laser based active diagnostics, passive techniques involving inherent X-ray fluorescence radiation of projectile and target emitted during heavy-ion target interaction can be used to measure the ion beam distribution on shot. This information is of great importance, since the target size is chosen to be smaller than the beam focus in order to ensure homogeneous heating of the HIHEX-target by the ion beam. High amounts of parasitic radiation and activation of experimental equipment is expected for experiments at the APPA-cave. For this reason, all electronic devices must be placed at a safe distance to the target chamber. In order to transport the signal over a large distance, the X-ray image of the target irradiated by heavy-ions has to be converted into an optical one.
For these purposes, the X-ray Conversion to Optical radiation and Transport (XCOT)-system was developed in the frame of a BMBF-project and commissioned in two beamtimes at the UNILAC, GSI during this work.
In experiments, we observed intense radiation of target atoms (K-shell transitions in Cu at 8–8.3 keV and L-shell transition in Ta) ionised in collisions with heavy ions as well as Doppler-shifted L-shell transitions of Au-projectiles passing through targets. This radiation can be used for monochromatic (dispersive elements like bent crystals) or polychromatic (pinhole) 2D X-ray mapping of the ion beam intensity distribution in the interaction region during the beam-target interaction. We measured the efficiency of the X-ray photon production depending on the target thickness and the number of ions passing through the target. The spatial resolution of the XCOT-system based on the multi-pinhole camera was measured to be (91±17) μm for the image magnification factor M = 2. It was considerably improved by application of a toroidally bent quartz crystal and reached 30 μm at M = 6. This resolution is optimal to image the distribution of a 1mm in diameter ion beam. As next step, the XCOT-system will be tested during the SIS18 beam-time at the HHT-experimental area.
Understanding the hadron spectrum is one of the primary goals of non-perturbative QCD. Many predictions have experimentally been confirmed, others still remain under experimental investigation. Of particular interest is how gluonic excitations give rise to states with constituent glue. One class of such states are hybrid mesons that are predicted by theoretical models and Lattice QCD calculations. Searching for and understanding the nature of these states is a primary physics goal of the GlueX experiment at the CEBAF accelerator at Jefferson Lab. A search for a JPC = 1−− hybrid meson candidate, the Y(2175), in φ(1020)π+π+ and φ(1020)f0(980) channels in photoproduction on a proton target has been conducted. A first measurement of non-resonant φ(1020)π+π+ and φ(1020)f0(980) total cross sections in photoproduction has been performed. An upper limit on the resonance production cross section for the Y (2175) → φ(1020)π+π+ and Y (2175) → φ(1020)f0(980) channels are estimated. Since the analysis essentially depends on the quality of the charged kaon identification, also an optimization of particle identification through an improvement of the energy loss estimation in the central drift chamber by a truncated mean method has been investigated.
In this work a nonlinear evolution of pure states of a finite dimensional quantum system is introduced, in particular a Riccati evolution equation.
It is shown how this class of dynamics is actually a Hamiltonian dynamics in the complex projective space.
In this projective space it is shown that there is a nonlinear superposition rule, consistent with its linear counterpart in the Hilbert space. As an example, the developed nonlinear formalism is applied to the semiclassical Jaynes–Cummings model.
Later, it is shown that there is an inherent nonlinear evolution in the dynamics of the so-called generalized coherent states.
To show this, the fact that in quantum mechanics it is possible to immerse a ''classical'' manifold into the Hilbert space is employed, such that one may parametrize the time-dependence of the wave function through the variation of parameters in the classical manifold.
The immersion allows to consider the so-called principle of analogy, i.e. using the procedures and structures available from the classical setting to employ them in the quantum setting.
Finally, it is introduced the contact Hamiltonian mechanics, an extension of symplectic Hamiltonian mechanics, and it is showed that it is a natural candidate for a geometric description of non-dissipative and dissipative systems.
This dissertation presents the development of a new radio frequency quadrupole (RFQ) structure of the 4-rod type with an operating frequency of 108 MHz for the acceleration of heavy ions with mass-to-charge ratios of up to 8.5 at high duty cycles up to CW operation ("continuous wave") at the High Charge Injector (HLI) of the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt.
The need to develop a completely new RFQ for the HLI arises from the fact that with the previously designed and built 4-rod RFQ structure, which was commissioned at the HLI in 2010 as part of the planned HLI upgrade program, the desired operating modes in both pulsed and CW operation could not be achieved even after several years of operating experience and considerable efforts to eliminate or at least mitigate the severe operational instabilities. Mechanical vibrations of the electrodes, which result in strong modulated power reflection, as well as the high thermal sensitivity proved to be particularly problematic.
In addition to the RF design of the new RFQ by simulations performed with the CST Microwave Studio software, the focus of the investigations fell on the mechanical analysis of vibrations on the electrode rods caused by RF operation, for which the ANSYS Workbench software was used. Due to the high thermal load of the RFQ structure of more than 30 kW/m in CW operation, an accurate analysis of the thermal effects on electrode deformation as well as resulting frequency detuning of the resonator is also required, which was investigated by simulations within the capabilities of CST Mphysics Studio.
Based on the results of the design studies carried out by simulations and the thereby achieved design optimizations, a 4-rod RFQ prototype with 6 stems was finally manufactured, on which most of the properties expected from the simulations could be validated by measurements of the RF characteristics as well as of the vibration behavior.
Finally, based on the results of the pre-tests and considering a newly developed beam dynamics concept, a completely revised RF design for a new full-length HLI-RFQ was derived from the prototype design.
In the last two decades, new unpredicted charmonium-like states with extraordinary characteristics have been observed experimentally. These states also known as the XYZ states, e.g., the Y(4260) or the X(3872), are mostly interpreted as QCD allowed exotic hadrons. One of the leading hadron physics experiments in the world, the Beijing Electron Spectrometer III (BESIII) at the Beijing Electron-Positron Collider II (BEPCII) is aiming towards revealing the internal structure of these states. It has brought numerous breakthrough discoveries including the discovery of the charged Zc(3900). In order to understand the nature of the Y(4260) state and its decay patterns, an inclusive analysis is performed for different recoil systems (π+π−,K+K− and K±π∓) using the BESIII data samples for center of mass energies above 4 GeV collected between 2013 and 2019. The aim of this analysis is twofold: on one hand, we search for new unobserved charmonium-like decay channels using the missing mass technique and on the other hand, it provides an accurate inclusive cross section measurement for e+e−→X π+π−, with the X being the J/ψ, hc and ψ(2S), respectively. Two resonant structures, the Y(4220) and the Y(4390), are observed in the inclusive energy dependent Born cross section of e+e−→hc π+π−, which is consistent with the BESIII exclusive measurements. Moreover, the energy dependent cross section of e+e−→J/ψ π+π− is investigated, in which two resonances have consistently been observed with the previous BESIII exclusive studies, namely, the Y(4220) and the Y(4320). In the (K±π±) recoil system, possible Y(4260) open charm decay channels are investigated. Two enhancements are observed in the inclusive energy dependent cross section of e+e−→DD above 4.13GeV, which could possibly be the ψ(4160)and the ψ(4415).