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Die Arbeit ist in zwei Teile gegliedert. Der erste Teil behandelt einige naturphilosophische und mathematische Probleme. Es wird außerdem das Pfeil-Paradoxon von Zeno vorgestellt, auf dem die moderne Variante des Quanten-Zeno-Paradoxons basiert. Im zweiten Teil wird zunächst eine allgemeine Analyse des Zerfallsgesetzes instabiler Quantensysteme gegeben. Es ist eine Mischung aus Zusammenfassungen von Reviews und neuen Ideen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Wellenfunktion in Energiedarstellung bzw. deren Betragsquadrat, genannt Energiedichte. Es wird auch auf den Fall eingegangen, wenn ein Quantensystem wiederholten (frequenten) Messungen ausgesetzt ist. Anschließend wird der Quanten-Zeno-Effekt und das Quanten-Zeno-Paradoxon als Folge des Verhaltens der Überlebenswahrscheinlichkeit für Zeiten kurz nach der Zustandspräparation beschrieben. Danach wird das Lee-Modell zur Beschreibung eines Teilchenzerfalls vorgestellt. Das Modell beschreibt den Zerfall eines instabilen Teilchens in zwei mögliche Kanäle, d.h. entweder in (genannt) a-Teilchen oder b-Teilchen. Es werden alle wichtigen Funktionen (Zerfallsgesetz, Energiedichte, etc.) analytisch hergeleitet. Es folgen darauf die Ergebnisse der numerischen Auswertung.
Ziel der Bachelorarbeit war es, einen Versuch für das Fortgeschrittenen-Praktikum des Instituts für Kernphysik zu konzipieren, der es ermöglicht, die Lebensdauer von aus der kosmischen Strahlung entstandenen Myonen zu bestimmen.
Dazu wurden vorhandene Komponenten auf ihre Gebrauchstauglichkeit getestet und untersucht, insbesondere in Bezug auf die Größe der Szintillatoren, ob der für einen Praktikumsversuch zeitlich gegebene Rahmen eingehalten werden kann.
Es ergaben sich einige mechanische Probleme, insbesondere bei der Verbindung der neuen, größeren Szintillatoren mit den Photomultipliern, die angegangen wurden. Die zuerst getestete Methode stellte sich jedoch als uneffektiv heraus, sodass die endgültige Lösung mit Hilfe einer neuen, computergesteuerten Fräsmaschine der Feinmechanik-Werkstatt erreicht werden soll.
Um die entstandenen Daten zu verarbeiten, wurde ein entsprechendes Programm in LabVIEW entwickelt, das die am TDC abgegriffenen Daten auf ihre Relevanz untersucht und die Ergebnisse in eine Textdatei schreibt. Das LabVIEW Front Panel wurde dabei so gestaltet, dass es den Praktikanten alle wichtigen Daten in graphisch anschaulicher Weise liefert.
Die Daten aus der Textdatei werden dann mit Hilfe eines ROOT Makros mit zwei verschiedenen Exponentialfunktionen gefittet.
In ersten Messungen ergibt sich ein Wert für die Lebensdauer der Myonen, der erstaunlich nahe am Literaturwert liegt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Zerfallsprozesse behandelt. Zunächst wurde im Rahmen des erweiterten Linearen Sigma-Modells die Antwort auf die Frage gesucht, welches Teilchen als chiraler Partner des Nukleons in Frage kommt. Dazu wurde der Zerfall des chiralen Partners in ein Nukleon und ein skalares Teilchen betrachtet. Das skalare Teilchen wurde mit dem Tetraquark-Zustand f0(600) identifiziert. In Augenschein genommen wurden die Resonanzen N(1535) und N(1640). Aufgrund der berechneten Zerfallsbreiten erkannte man im Falle von N(1650) eine größere Übereinstimmung mit den experimentellen Werten. Die Zerfallsbreite von 45.91 MeV liegt in der Größenordnung des im Particle Data Book verzeichneten Intervalls. Der Wert, den man bei Verwendung von N(1535) als Ausgangsteilchen erhielt, ist allerdings gegenüber der Vorhersage zu groß.
Ein nächster Schritt im Studium dieses Sachverhalts stellt das erweiterte Misch-Szenario dar. Es beinhaltet nicht nur zwei, sondern vier Spinoren. Zwei davon beschreiben Nukleon-Resonanzen, zwei sind mögliche chirale Partner. Da die Zustände mischen, wird der chirale Partner nicht eindeutig durch ein, sondern durch zwei Resonanzen repräsentiert. Weiterhin steht die eingehende Betrachtung des Ursprungs von m0 aus. Dazu muss außer derWechselwirkung mit dem Tetraquark-Zustand auch die Wechselwirkung eines Glueballs mit den beteiligten Hadronen berücksichtigt werden. Dadurch erhält die Masse von m0 einen Anteil, der aus dem Glueball-Kondensat stammt. Dies muss beim Rückschluss auf die Nukleonmasse beachtet werden.
Als nächstes wurde der Zerfall des pseudoskalaren Glueballs in zwei Nukleonen betrachtet. Da die Kopplungskonstante dieses Zerfalls noch nicht experimentell bestimmt wurde, wurde ein Verhältnis zwischen zwei Zerfallskanälen berechnet. Es zeigte sich, dass der Zerfall in zwei Nukleonen fast doppelt so wahrscheinlich ist wie der Zerfall in Nukleon und chiralen Partner, der an der Energieschwelle liegt. Die Berechnung wurde mit einem Teilchen der Masse 2.6 GeV als Glueball durchgeführt. Die Untersuchung derart schwerer Glueballs wird in naher Zukunft erstmalig im Rahmen des PANDA-Experiments der GSI möglich sein.
Zukünftige Studien sollten die Beteiligung des Glueballs an gemischten Zuständen berücksichtigen. Außerdem sollte ein möglicher skalarer Glueball in die Betrachtung miteinbezogen werden.
Ein zentraler Bestandteil der Teilchenphysik ist die Berechnung der Zerfallsbreiten bzw. Lebensdauern von Teilchen. Die meisten bekannten Teilchen sind instabil und zerfallen in zwei oder mehr leichtere Teilchen. Die Formel für die Berechnung einer Zerfallsbreite enthält zwei verschiedene Komponenten: Die kinematischen Faktoren, die lediglich vom Anfangs- und Endzustand abhängen und aus der Energie- und Impulserhaltung folgen, und die dynamischen Faktoren, die sich aus der Art der Wechselwirkung und eventuellen Zwischenstufen ergeben. Gibt es mehrere Zerfallskanäle, die zu den gleichen Endzuständen führen, so unterscheiden diese sich nur in den dynamischen Faktoren. Aus diesem Grunde werden kinematische und dynamische Faktoren getrennt, da nur letztere für die Analyse der Wechselwirkung relevant sind.
Die kinematischen Faktoren von Zwei- und Dreikörperzerfällen haben einen fundamentalen Unterschied: Beim Zweikörperzerfall ist durch die Erhaltungssätze die Verteilung der Energien der Produktteilchen komplett festgelegt, während sie bei einem Dreikörperzerfall innerhalb bestimmter Grenzen variieren kann.
Ein Dreikörperzerfall kann auf zwei verschiedeneWeisen auftreten: Bei einem direkten Zerfall entstehen gleichzeitig alle drei Endprodukte. Bei einem indirekten Zerfall zerfällt das Startteilchen zuerst in zwei Teilchen, von denen eines stabil ist und das andere erneut zerfällt. Im Falle des indirekten Zerfalls haben die resultierenden Teilchen eine andere Impulsverteilung als bei einem direkten Zerfall, woraus sich Informationen über den Zwischenzustand gewinnen lassen.
Im ersten Kapitel dieser Arbeit widmen wir uns der expliziten Berechnung der Zerfallsbreite für die verschiedenen Fälle. Wir beschränken uns hier und in allen weiteren Rechnungen auf skalare und pseudoskalare Teilchen, bei denen keine Spineffekte auftreten.
Die Zerfallsbreite eines Dreikörperzerfalls lässt sich in einer besonders praktischen Form, dem sogenannten Dalitz-Plot, darstellen. Hierbei sind alle kinematischen Faktoren konstant und eine Darstellung der Zerfallsbreite in Abhängigkeit der entsprechenden Variablen lässt direkten Aufschluss über die Art der Wechselwirkung zu. Die Form eines Dalitz-Plots sowie dessen Interpretation ist Gegenstand des zweiten Kapitels.
Im dritten Kapitel beschäftigen wir uns kurz mit der Frage, welche Auswirkungen Prozesse höherer Ordnung auf den gesamten Zerfall haben. Hierbei beschränken wir uns auf die Betrachtung von Loopbeiträgen des Zwischenzustandes eines indirekten Zerfalls.
Im letzten Kapitel werden wir die theoretischen Betrachtungen am Zerfall eines pseudoskalaren Glueballs anwenden. Ein Glueball ist ein gebundener Zustand aus Gluonen, den Austauschteilchen der starken Wechselwirkung. Da die Gluonen aufgrund der nichtabelschen Struktur der Farbsymmetriegruppe selbst Farbladung tragen, ist es theoretisch möglich, Zustände nur aus Gluonen zu konstruieren, die farbneutral sind und damit den Regeln des Confinements entsprechen. Im Falle der betrachteten Glueballs tritt ein weiterer interessanter Effekt auf: Da es mehrere Zerfallskanäle gibt, die zum gleichen Endzustand führen, treten Interferenzeffekte auf, deren Auswirkung auf das Gesamtergebnis näher untersucht wird.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Energiekalibration und der Effizienz zweier Niederenergie-Germaniumdetektoren, deren Energieauflösungen hier ebenfalls bestimmt werden. Die Untersuchungen werden an den γ-Spektren von 109Cd, 54Mn, 137Cs, 57Co, 133Ba, 60Co und 22Na in zwei verschiedenen Verstärkungseinstellungen vorgenommen, wobei der Abstand der Eichquellen zu dem Detektor variiert wird, um zussätzlich die Abhänngigkeit der Effizienz vom Raumwinkel sowie den Einfluss von Summeneffekten zu untersuchen. Einige der Eichquellen weisen in ihren Spektren γ-Zerfallskaskaden auf, die sich negativ auf die Bestimmung der Detektoreffizienz auswirken und somit als Eichquellen nicht optimal sind. Zusätzlich erfolgt dann ein Vergleich der Effizienzeichungen mit einer Monte-Carlo-Simulation.
Der für diese Arbeit entwickelte Prototyp zur Neutronenproduktion hat sich bereits während der ersten Tests bewährt, womit schnell festgestellt wurde, dass sich das Grunddesign des Prototypen für die späteren Experimente am FRANZ eignet. Wie man gesehen hat, entstand die verwendete Revision in mehreren Schritten, da immer wieder aus gemachten Planungsfehlern gelernt werden musste. Zusätzlich gab es bei der Planung mehrere Beschränkungen, die beachtet werden mussten, dazu zählt unter anderem die Form des Prototypen, um ohne Probleme den Bedampfungstand des FZK verwenden zu können.
Das neue Kühlsystem verlangte während der Planung besonderer Aufmerksamkeit. Bei Experimenten wie am IRMM oder FZK kann aufgrund der geringen Leistung des Beschleunigers mit einer Luftkühlung oder einfachen Wasserkühlung gearbeitet werden. Diese Arten der Kühlung beeinflussen den Neutronenfluss nicht. Bei FRANZ muss aufgrund der im Vergleich zu den vorher genannten Experimenten viel höheren Leistung von 4 kW, ein gänzlich neuer Kühlungsansatz verwendet werden. Um die Leistung vom Target abzuführen, muss nun ein viel größerer Bereich gekühlt werden, um die entstehenden Temperaturen unter Kontrolle zu halten. Auch das Vorhersagen der entstehenden Temperaturen war nur unter Annahme mehrerer Parameter möglich. Durch die komplexe Struktur des Prototypen stieß die Berechnung des Temperaturprofis mit einfachen analytischen Mitteln schnell an ihre Grenzen. Aus diesem Grund wurden für diese Arbeit jeweils nach der Einführung der Wärmeleitung vereinfachte Annahmen gemacht, um dennoch Berechnungen durchführen zu können. Dass dies nicht immer zu exakten Ergebnissen führt, wurde während des Prozesses mehrfach festgestellt. Dennoch konnten so die Größenordnungen der Temperaturen bestimmt werden, was letztlich zur Auslegung des Kühlsystems beitrug.
Die Lösung, für die sich entschieden wurde, war die Kühlung der Rückseite des Target mit Wasser. Der große Nachteil dieser neuen, aber notwendigen Kühllösung, sind die Materialien, die nun den Neutronenfluss aus der Li(p,n) Reaktion beeinflussen. Wichtig war es eine Balance zwischen Schichtdicken von Kupfer und Wasser, die für die mechanische und thermische Stabilität notwendig waren, und der Qualität des erhaltenen Spektrums zu finden. Hierfür wurden zahlreiche Simulationen mit GEANT 3 angefertigt, um die Einflüsse beider Stoffe abschätzen zu können, wobei sich schließlich herausstellte, dass die Schichtdicke von Wasser die Neutronen am meisten beeinflusst. Da Wasser stark moderierend auf Neutronen wirkt, stellte man fest, dass man bei Experimenten vor allem hochenergetische Neutronen verliert. Konsequenz war die strikte Kontrolle der Wasserdicke.
Heparin wird als gerinnungshemmendes Medikament in vielen Bereichen eingesetzt: in niedriger Dosierung wird es vor allem zur Thromboseprophylaxe verwendet, in höheren Konzentrationen kommt es zum Beispiel in der Hämodialyse oder bei herzchirurgischen Eingriffen unter Verwendung der Herz-Lungen-Maschine zum Einsatz, um ein Gerinnen des Patientenblutes zu verhindern. Obwohl Heparin schon seit vielen Jahrzehnten eingesetzt wird, fehlt bis heute eine Methode, mit der sich die Heparin-Konzentration einfach, schnell und kostengünstig während des OP-Verlaufs bestimmen lässt. Vielmehr wird der Zustand des Patientenblutes über Gerinnungsverfahren eingeschätzt, die nur indirekt abhängig von Heparin sind und die von vielen Parametern beeinflusst werden. Eine Überwachung des Heparinspiegels ist mit diesen Methoden nicht möglich. Ein weiteres Problem ergibt sich, wenn am Ende des Eingriffs die normale Blutgerinnung wiederhergestellt werden soll. Zu diesem Zweck wird Protamin verabreicht, welches das im Patientenblut zirkulierende Heparin binden und damit dessen gerinnungshemmende Wirkung neutralisieren soll. Die Verabreichung des Protamins geschieht jedoch nicht, wie es idealerweise wäre, entsprechend der aktuellen Heparin-Konzentration, da derzeit kein Heparin-Messverfahren existiert. Dies kann eine fehlerhafte Heparin-Neutralisierung zur Folge haben, welche mit weitreichenden Nebenwirkungen, vor allem einer erhöhten Blutungsgefahr, verbunden ist.
Aufgrund dieser Problematik wurde eine streulichtphotometrische Methode (LiSA-H) entwickelt, mit dem die Bestimmung der Heparin-Konzentration einer Patientenprobe während chirurgischen Eingriffen möglich ist. Diese basiert auf der Messung der Intensität des an Heparin-Protamin-Nanopartikeln gestreuten Lichts. Diese Nanopartikel bilden sich, sobald Protamin einer Lösung mit Heparin, z.B. heparinisiertes Blutplasma, zugegeben wird.
Mit Hilfe von analytischer Ultrazentrifugation sowie Rasterkraftmikroskop-Aufnahmen konnten die Größe und die Größenverteilung der Heparin-Protamin-Partikel charakterisiert werden. Beide Methoden zeigten gut übereinstimmende Ergebnisse und lieferten Partikeldurchmesser von etwa 70 – 200 nm.
Um den Prozess der Messung zu optimieren, wurde nach Filtrationsmethoden gesucht, um den zeit- und arbeitsaufwendigen Zentrifugationsschritt zu vermeiden. Dazu wurden Filtermembranen aus verschiedenen Materialien und mit unterschiedlichen Porengrößen getestet, die eine Plasmagewinnung durch Filtration von Vollblut ermöglichen sollten. Leider war dies mit den getesteten Filtersystemen nicht möglich. Dies bleibt jedoch ein aktuelles Thema und wird weiterhin untersucht werden.
Zusätzlich zu der streulichtbasierten Messmethode konnte gezeigt werden, dass über fluoreszenzspektroskopische Methoden die Bestimmung kleiner Heparin-Konzentrationen möglich ist. Dafür wurde Protaminsulfat mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert und die Erniedrigung der Emissionsintensität des fluoreszierenden Protamins nach Zugabe von Heparin beobachtet. Aus dem Grad dieser Intensitätsabnahme lässt sich auf die Heparin-Konzentration schließen. Diese Methode wäre hervorragend dafür geeignet, das streulichtbasierte Verfahren zu ergänzen, das im niedrigen Konzentrationsbereich zunehmend unempfindlich wird. Hierfür müssen jedoch noch einige Messungen durchgeführt werden, um zu zeigen, ob eine Messung auch von Plasma- oder sogar Vollblutproben möglich ist.
Es wurde ein klinischer Prototyp entwickelt, der die Bestimmung der Heparin-Konzentration in einer Blutplasmaprobe während chirurgischer Eingriffe ermöglicht. Dabei wird eine LED mit einem Emissionsmaximum bei 627 nm verwendet und die Streulichtintensität zur Bestimmung der Anzahl und der Größe der Heparin-Protamin-Partikel genutzt. Die Steuerung der Messung sowie die Auswertung der Messdaten werden mit einem Netbook und eigens dafür neu entwickelter Software realisiert. Mit diesem Prototyp lässt sich reproduzierbar aus der Änderung der Streulichtintensität einer Blutplasmaprobe nach Protaminzugabe innerhalb weniger Minuten deren Heparin-Konzentration bestimmen. Es wurde eine Kalibrierfunktion erstellt, mit der es möglich ist, aus der Streulichtintensität die Heparin-Konzentration zu berechnen.
Eine erste Studie im Universitätsklinikum der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt a.M., bei der bei 50 herzchirurgischen Eingriffen unter Verwendung der Herz-Lungen-Maschine parallel zur üblichen Gerinnungsmessung eine Heparin-Bestimmung mit dem neuen Heparin-Assay erfolgte, zeigte, dass es mit diesem Verfahren möglich ist, im OP-Verlauf die Heparin-Konzentration im Patientenblut zu ermitteln. Daraus konnten schließlich weitere Informationen wie die individuelle Geschwindigkeit des Heparin-Abbaus erhalten werden.
Eine zweite Studie in der Kinderkardiologie des Universitätsklinikums Gießen, deren Ergebnisse statistisch noch nicht vollständig ausgewertet sind, wurde ebenfalls mit Erfolg abgeschlossen. Die vorläufigen Ergebnisse zeigten hier, dass sich die Heparin-Abbaukinetik bei Erwachsenen und Kindern deutlich unterscheidet. Zudem zeigte sich, dass die gemessene Gerinnungszeit bei Kindern wesentlich schlechter (nur 30 % der Fälle) mit der gemessenen Heparin-Konzentration korreliert als bei Erwachsenen (etwa 70 % der Fälle).
In dieser Arbeit wurde der Entwurf eines Rebunchers für die Ionenstrahltherapieanlage MedAustron mit Hilfe des Simulationsprogramms Microwave Studio entwickelt. Es wurde ein neues Design in Anlehnung an einen Spiralresonator gewählt, wobei der Spiralarm aus einem wassergekühlten induktiven Teil und einem aus massivem Kupfer gefertigten kapazitiven Teil besteht.
Die Frequenz der ersten Eigenmode liegt zwischen 217,8 MHz (ohne Keramik) und 217,3 MHz (mit Keramik). In der Realität könnte die Frequenz von diesem Wert etwas abweichen (bis zu 0,5 MHz), da einerseits Details wie Ein- und Auskopplung und andererseits reale Effekte wie Oberflächenverunreinigung oder kleinste Abweichungen in der Geometrie in Microwave Studio nicht berücksichtigt werden können. Außerdem wird die Genauigkeit der Simulationen durch die Anzahl Gitterpunkte limitiert. Um diese Eekte kompensieren zu können, wurden die Auswirkungen eines Tuners auf die Frequenz untersucht. Hierbei ergab sich für eine Tunerhöhe von 40 mm eine Frequenzveränderung von 220 kHz, bei 70 mm sind es schon 1,224 MHz.
Da sich bei dieser Frequenz und Geometrie ein Laufzeitfaktor von nur 0,66 auf der Strahlachse ergibt und die Spannung dort zusätzlich um den Faktor 0,983 niedriger ist als am Spaltrand, muss bei einer effektiven Shuntimpedanz von 13,4 M Ω/m eine Leistung von 2,46 kW aufgebracht werden. Nähere Untersuchungen der elektrischen Felder fürten zu dem Ergebnis, dass der Grund für den niedrigen Laufzeitfaktor dynamische Eekte sein müssen. Die "statischen Felder" verhalten sich wie erwartet.
Aber auch die reale Shuntimpedanz und somit auch die reale Verlustleistung können beträchtlich von den berechneten Werten abweichen. Es wird erwartet, dass die Shuntimpedanz im ungünstigsten Fall nur 60% der simulierten Impedanz beträgt, weswegen man mit einer Verlustleistung von 4,09 KW rechnen muss.
Der Rebuncher soll zusammen mit der Beschleunigeranlage in Österreich im Jahr 2013 in Betrieb gehen, aber bereits in 2012 zu Strahlexperimenten am CERN zur Verfügung stehen.