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Fast nuclei are ionizing radiation which can cause deleterious effects to irradiated cells. The modelling of the interactions of such ions with matter and the related effects are very important to physics, radiobiology, medicine and space science and technology. A powerful method to study the interactions of ionizing radiation with biological systems was developed in the field of microdosimetry. Microdosimetry spectra characterize the energy deposition to objects of cellular size, i.e., a few micrometers.
In the present thesis the interaction of ions with tissue-like media was investigated using the Monte Carlo model for Heavy-Ion Therapy (MCHIT) developed at the Frankfurt Institute for Advanced Studies. MCHIT is a Geant4-based application intended to benchmark the physical models of Geant4 and investigate the physical properties of therapeutic ion beams. We have implemented new features in MCHIT in order to calculate microdosimetric quantities characterizing the radiation fields of accelerated nucleons and nuclei. The results of our Monte Carlo simulations were compared with recent experimental microdosimetry data.
In addition to microdosimetry calculations with MCHIT, we also investigated the biological properties of ion beams, e.g. their relative biological effectiveness (RBE), by means of the modified Microdosimetric-Kinetic model (MKM). The MKM uses microdosimetry spectra in describing cell response to radiation. MCHIT+MKM allowed us to study the physical and biological properties of ion beams. The main results of the thesis are as follows:
MCHIT is able to describe the spatial distribution of the physical dose in tissue-like media and microdosimetry spectra for ions with energies relevant to space research and ion-beam cancer therapy; MCHIT+MKM predicts a reduction of the biological effectiveness of ions propagating in extended medium due to nuclear fragmentation reactions; We predicted favourable biological dose-depth profiles for monoenergetic helium and lithium beams similar to the one for carbon beam. Well-adjusted biological dose distributions for H-1, He-4, C-12 and O-16 with a very flat spread-out Bragg peak (SOBP) plateau were calculated with MCHIT+MKM; MCHIT+MKM predicts less damage to healthy tissues in the entrance channel for SOBP He-4 and C-12 beams compared to H-1 and O-16 ones. No definitive advantages for oxygen ions with respect to carbon were found.
Low-energy effective models for two-flavor quantum chromodynamics and the universality hypothesis
(2014)
Die Untersuchung der Natur auf extremen Längenskalen hat seit jeher zu bahnbrechenden Einsichten und Innovationen geführt. Insbesondere zu unserem heutigen Verständnis, dass Nukleonen (Protonen und Neutronen) aus Quarks zusammengesetzt sind, die infolge der starken Wechselwirkung, vermittelt durch Gluonenaustausch, gebunden sind. Mit dem Aufkommen des Quarkmodells wurde bald die Quantenchromodynamik (QCD) erfolgreich in der Beschreibung vieler messbarer Eigenschaften der starken Wechselwirkung. Um es mit Goethe zu sagen: mit den modernen Hochenergie-Beschleuniger-Experimenten wird versucht unser Verständnis davon zu verbessern, was die Welt im Innersten zusammenhält. Am Large Hadron Collider (LHC) werden beispielsweise Protonen derart beschleunigt und miteinander zur Kollision gebracht, dass bislang unerreichte Energiedichten auftreten, infolge derer Temperatur und baryochemisches Potential Werte annehmen, die mit denen des frühen Universums vergleichbar sind. Es gibt sowohl theoretische als auch experimentelle Hinweise darauf, dass hadronische Materie mit zunehmender Temperatur und/oder zunehmendem baryochemischen Potentials einen Phasenübergang durchläuft, hin zu einem exotischen Zustand, der als Quark-Gluon-Plasma bekannt ist. Dieser Übergang wird begleitet von einem sogenannten chiralen Übergang. Es ist eine wichtige Frage, ob es sich bei diesem chiralen Übergang um einen echten Phasenübergang (von erster bzw. zweiter Ordnung) handelt, oder ob ein sogenannter crossover vorliegt. Einige Resultate deuten auf einen crossover für verschwindendes baryochemisches Potential und einen Phasenübergang erster Ordnung für verschwindende Temperatur hin, lassen jedoch noch keinen endgültigen Schluss zu, ob dies tatsächlich der Realität entspricht. Wenn ja, so liegt die Annahme nahe, dass ein kritischer Endpunkt existiert, an dem der chirale Übergang von zweiter Ordnung ist. In der Tat existiert ein kritischer Endpunkt in einigen theoretischen Zugängen zur Beschreibung des chiralen Phasenübergangs, deren Aussagekraft seit jeher lebhaft diskutiert wird. Ein zentrales Ziel des zukünftigen CBM-Experiments an der GSI in Darmstadt ist es, die Existenz im Experiment zu überprüfen.
In der Nähe des QCD-(Phasen)übergangs ist es die Abwesenheit jeglicher perturbativer Entwicklungsparameter, die exakte analytische Berechnungen verbietet. Das gleiche gilt für realistische effektive Modelle für QCD. Nichtperturbative Methoden sind daher unverzichtbar für die Untersuchung des QCD-Phasendiagramms. Zu den populärsten dieser Zugänge gehören Gitter-QCD, Resummierungsverfahren, der Dyson-Schwinger-Formalismus, sowie die Funktionale Renormierungsgruppe (FRG). All diese Methoden ergänzen sich gegenseitig und werden zum Teil auch miteinander kombiniert. Eine der Stärken der FRG-Methode ist, dass sie nicht nur erfolgreich auf effektive Modelle angewendet werden kann, sondern auch auf QCD selbst. Für letztere Ab-Initio-Rechnungen sind die aus effektiven Modellen für QCD gewonnenen Resultate von grossem Wert.
Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der Fragestellung von welcher Ordnung der chirale Phasenübergang im Fall von genau zwei leichten Quarksorten ist. Problemstellungen wie die Suche nach einer Antwort auf die Frage nach den Bedingungen für die Existenz eines Phasenübergangs zweiter Ordnung, die Bestimmung der Universalitätsklasse in diesem Fall etc. erfordern Wissen aus verschiedenen Gebieten.
Kapitel 1 besteht aus einer allgemeinen Einleitung.
In Kapitel 2 stellen wir zunächst einige allgemeine Aspekte von Phasenübergängen dar, die von besonderer Relevanz für das Verständnis des Renormierungsgruppen-Zugangs zu ebendiesen sind. Unser Fokus liegt hierbei auf einer kritischen Untersuchung der Universalitätshypothese. Insbesondere die Rechtfertigung des linearen Sigma-Modells als effektive Theorie für den chiralen Ordnungsparameter beruht auf der Gültigkeit selbiger.
Kapitel 3 beschäftigt sich mit dem chiralen Phasenübergang von einem allgemeinen Standpunkt aus. Wir ergünzen wohlbekannte Fakten durch eine detaillierte Diskussion der sogenannten O(4)-Hypothese. Die Überprüfung der Gültigkeit selbiger wird schließlich in Kapitel 6 und 7 in Angriff genommen.
In Kapitel 4 stellen wir die von uns benutzte FRG-Methode vor. Außerdem diskutieren wir den Zusammenhang zwischen effektiven Theorien für QCD und der QCD selbst.
Kapitel 5 behandelt ein mathematisches Thema, das für alle unserer Untersuchungen unabdingbar ist, nämlich die systematische Konstruktion polynomialer Invarianten zu einer gegebenen Symmetrie. Wir präsentieren einen einfachen, jedoch neuartigen, Algorithmus für die praktische Konstruktion von Invarianten einer gegebenen polynomialen Ordnung.
Kapitel 6 widmet sich Renormierungsgruppen-Studien einer Reihe dimensional reduzierter Theorien. Von zentralem Interesse ist hierbei das lineare Sigma-Modell, insbesondere in Anwesenheit der axialen Anomalie. Es stellt sich heraus, dass die Fixpunkt-Struktur des letzteren vergleichsweise kompliziert ist und ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden Methode sowie ihrer Annahmen erfordert. Dies führt uns zu einer sorgfältigen Analyse der Fixpunkt-Struktur von Modellen verschiedenster Symmetrien. Im Zusammenhang mit der Untersuchung des Einflusses von Vektor- und Axial-Vektor-Mesonen stoßen wir hierbei auf eine neue Universalitä}tsklasse.
Während wenig Spielraum für die Wahl der Symmetriegruppe der effektiven Theorie für den chiralen Ordnungsparameter besteht, ist die Identifizierung der Ordnungsparameter-Komponenten mit den relevanten mesonischen Freiheitsgraden hochgradig nichttrivial. Diese Wahl entspricht der Wahl einer Darstellung der Gruppe und kann zur Zeit nicht eindeutig aus der QCD hergeleitet werden. Es ist daher unerlässlich, verschiedene Möglichkeiten auszutesten. Eine wohlbekannte Wahl besteht darin, das Pion und seinen chiralen Partner, das Sigma-Meson, der O(4)-Darstellung für SU(2)_A x SU(2)_V zuzuordnen, welche einen Phasenübergang zweiter Ordnung erlaubt. Dieses Szenario ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn nahe der kritischen Temperatur alle anderen Mesonen entsprechend schwer sind. Im Fall von genau zwei leichten Quarkmassen erfordert dies eine hinreichend große Anomaliestärke. Berücksichtigt man zusätzlich zum Pion und Sigma-Meson auch das Eta-Meson und das a_0-Meson, liefern unsere derzeitigen expliziten Rechnungen keinen Nachweis für die Existenz eines Phasenübergang zweiter Ordnung. Stattdessen spricht die Abwesenheit eines physikalischen (hinsichtlich der Massen) infrarot-stabilen Fixpunktes für einen fluktuationsinduzierten Phasenübergang erster Ordnung. Dieses Ergebnis ist auch zu erwarten (jedoch nicht impliziert), allein durch die Existenz zweier quadratischer Invarianten. Es besteht jedoch immer noch eine hypothetische Chance auf einen Phasenübergang zweiter Ordnung in der SU(2)_A x U(2)_V -Universalitätsklasse. Dies wäre der Fall, wenn der entsprechende von uns gefundene unphysikalische infrarot-stabile Fixpunkt physikalisch werden sollte in höherer Trunkierungsordnung. Interessanterweise finden wir bei endlicher Temperatur für gewisse Parameter einen Phasenübergang zweiter Ordnung. Es ist unklar, ob diese Wahl der Parameter in den Gültigkeitsbereich der dimensional reduzierten Theorie fällt.
Erst vor kurzem (Ende September 2013) wurde die Existenz eines infrarot-stabilen U(2)_A x U(2)_V-symmetrischen Fixpunkts durch Pelissetto und Vicari verifiziert (die zugehörige anomale Dimension ist mit 0.12 angegeben). Dieses Resultat war sehr
überraschend, da für zwei leichte Quarksorten und abwesende Anomalie ein Phasenübergang erster Ordnung relativ gesichert erschien, insbesondere durch die Epsilon-Entwicklung. Offensichtlich versagt letztere jedoch im Limes D=3, also für drei räumliche Dimensionen, da lediglich Fixpunkte gefunden werden können, die auch nahe D=4 existieren. Inspiriert durch diesen wichtigen Fund führen wir eine FRG-Fixpunktstudie in lokaler Potential-Näherung und hoher Trunkierungsordnung (bis zu zehnter Ordnung in den Feldern) durch. Die Stabilitätsanalyse besitzt jedoch leider keine Aussagekraft, da die Stabilitätsmatrix für den Gaußschen Fixpunkt marginale Eigenwerte besitzt. Wir sind überzeugt davon, dass dies nicht mehr der Fall ist, wenn man über die lokale Potential-Näherung hinausgeht und eine nichtverschwindende anomale Dimension zulässt. Die bisherigen Resultate verdeutlichen die Limitierungen der lokalen Potential-Näherung und der Epsilon-Entwicklung, auf denen unsere Untersuchungen zur Universalitätshypothese in weiten Teilen beruhen. Systematische Untersuchungen der Fixpunktstruktur von Modellen mit acht Ordnungsparameter-Komponenten wurden in der Literatur im Rahmen der Epsilon-Entwicklung durchgeführt und im Rahmen dieser Dissertation innerhalb der lokalen Potential-Näherung. Die meisten der Vorhersagen der Epsilon-Entwicklung konnten bestätigt werden, einige hingegen werden in Frage gestellt durch das Auftauchen marginaler Stabilitätsmatrix-Eigenwerte.
Einige wichtige Fragestellungen können nicht im Rahmen einer dimensional reduzierten Theorie behandelt werden, da die explizite Temperaturabhängigkeit in diesem Fall eliminiert wurde.
Insbesondere ist es in diesem Fall nicht möglich, die Stärke eines Phasenübergangs erster Ordnung vorherzusagen, da diese von Observablen (Meson-Massen und die Pion-Zerfallskonstante im Vakuum) abhängen, an die man bei verschwindender Temperatur fitten muss. Dieser Umstand führt uns zu solchen FRG-Studien, in denen die Temperatur als expliziter Parameter verbleibt.
Ein beträchtlicher Teil der für die vorliegende Dissertation zur Verfügung stehenden Arbeitszeit wurde darauf verwendet, eigene Implementierungen geeigneter Algorithmen zur numerischen Lösung der auftretenden partiellen Differentialgleichungen zu finden. Exemplarische Routinen (welche ausschließlich wohlbekannte Methoden nutzen) sind in einem Anhang zur Verfügung gestellt. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit, die Anwendung auf effektive Modelle für QCD, wird in Kapitel 7 präsentiert. Unsere (vorläufigen) FRG-Studien des linearen Sigma-Modells mit axialer Anomalie bei nichtverschwindender Temperatur erlauben verschiedene Szenarien. Sowohl einen extrem schwach ausgeprägten, als auch einen sehr deutlichen Phasenübergang erster Ordnung, ganz abhängig von der Wahl der Ultraviolett-Abschneideskala und oben genannter Parameter. Sogar ein Phasenübergang zweiter Ordnung scheint möglich für gewisse Parameterwerte. Um verlässliche Schlussfolgerungen zu ziehen, sind weitere Untersuchungen nötig und bereits im Gange. In Kapitel 7 verifizieren wir außerdem bereits bekannte numerische Resultate für das Quark-Meson-Modell.
This thesis is structured into 7 chapters:
• Chapter 2 gives an overview of the ultrashort high intensity laser interaction with matter. The laser interaction with an induced plasma is described, starting from the kinematics of single electron motion, followed by collective electron effects and the ponderamotive motion in the laser focus and the plasma transparency for the laser beam. The three different mechanisms prepared to accelerate and propagate electrons through matter are discussed. The following indirect acceleration of protons is explained by the Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) mechanism. Finally some possible applications of laser accelerated protons are explained briefly.
• Chapter 3 deals with the modeling of geometry and field mapping of magnetic lens. Initial proton and electron distributions, fitted to PHELIX measured data are generated, a brief description of employed codes and used techniques in simulation is given, and the aberrations at the solenoid focal spot is studied.
• Chapter 4 presents a simulation study for suggested corrections to optimize the proton beam as a later beam source. Two tools have been employed in these suggested corrections, an aperture placed at the solenoid focal spot as energy selection tool, and a scattering foil placed in the proton beam to smooth the radial energy beam profile correlation at the focal spot due to chromatic aberrations. Another suggested correction has been investigated, to optimize the beam radius at the focal spot by lens geometry controlling.
• Chapter 5 presents a simulation study for the de-neutralization problem in TNSA caused by the fringing fields of pulsed magnetic solenoid and quadrupole. In this simulation, we followed an electrostatic model, wherethe evolution of both, self and mutual fields through the pulsed magnetic solenoid could be found, which is not the case in the quadrupole and only the growth of self fields could be found. The field mapping of magnetic elements is generated by the Matlab program, while the TraceWin code is employed to study the tracking through magnetic elements.
• Chapter 6 describes the PHELIX laser parameters at GSI with chirp pulse amplification technique (CPA), and Gafchromic Radiochromic film RCF) as a spatial energy resolver film detector. The results of experiments with laser proton acceleration, which were performed in two experimental areas at GSI (Z6 area and PHELIX Laser Hall (PLH)), are presented in section 6.3.
• Chapter 7 includes the main results of this work, conclusions and gives a perspective for future experimental activities.
In this thesis hard probes are studied in the partonic transport model BAMPS (Boltzmann Approach to MultiParton Scatterings). Employing Monte Carlo techniques, this model describes the 3+1 dimensional evolution of the quark gluon plasma phase in ultra-relativistic heavy-ion collisions by propagating all particles in space and time and carrying out their collisions according to the Boltzmann equation. Since hard probes are produced in hard processes with a large momentum transfer, the value of the running coupling is small and their interactions should be describable within perturbative QCD (pQCD). This work focuses on open heavy flavor, but also addresses the suppression of light parton jets, in particular to highlight differences due to the mass. For light partons, radiative processes are the dominant contribution to their energy loss. For heavy quarks, we show that also binary interactions with a running coupling and an improved Debye screening matched to hard-thermal-loop calculations play an important role. Furthermore, the impact of the mass in radiative interactions, prominently named the dead cone effect, and the interplay with the Landau-Pomeranchuk-Migdal (LPM) effect are studied in great detail. Since the transport model BAMPS has access to all medium properties and the space time information of heavy quarks, it is the ideal tool to study the dissociation and regeneration of J/psi mesons, which is also investigated in this thesis.
In this thesis, different physical and electrical aspects of silicon microstrip sensors and low-mass multi-line readout cables have been investigated. These silicon microstrip sensors and readout cables will be used in the Silicon Tracking System (STS) of the fixed-target heavy-ion Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment which is under development at the upcoming Facility for Antiproton and ion Research (FAIR) in Darmstadt, Germany. The highly segmented low-mass tracking system is a central CBM detector system to resolve the high tracking densities of charged particles originating from beam-target interactions. Considering the low material budget requirement the double-sided silicon microstrip detectors have been used in several planar tracking stations. The readout electronics is planned to be installed at the periphery of the tracking stations along with the cooling system. Low-mass multi-line readout cables shall bridge the distance between the microstrip sensors and the readout electronics. The CBM running operational scenario suggests that some parts of the tracking stations are expected to be exposed to a total integrated particle fluence of the order of 1e14 neq/cm2. After 1e14 neq/cm2 the damaged modules in the tracking stations will be replaced. Thus radiation hard sensor is an important requirement for the sensors. Moreover, to cope with the high reaction rates, free-streaming (triggerless) readout electronics with online event reconstruction must be used which require high signal-to-noise (SNR) ratio (i.e., high signal efficiency, low noise contributions). Therefore, reduction in noise is a major goal of the sensor and cable development.
For better insight into the different aspects of the silicon microstrip sensors and multi-line readout cables, the simulation study has been performed using SYNOPSYS TCAD tools. 3D models of the silicon microstrip sensors and the readout cables were implemented which is motivated by the stereoscopic construction of the silicon microstrip sensors. For the evaluation of the performance of the silicon microstrip sensors in the harsh radiation environment during experimental operation, a radiation damage model has been included. It reproduces the behavior of the irradiated CBM prototype sensors. In addition to the static characteristics, the interstrip parameters relevant to understand strip isolation and cross-talk issues have been extracted. The transient simulations have been performed to estimate the charge collection performance of the irradiated sensors. The signal transmission in the readout cables has been evaluated with the finite element simulation tool RAPHAEL. Based on the performance of the front-end electronics used for early prototyping in the CBM experiment, capacitive and resistive noise contributions from the silicon microstrip sensors and multi-line readout cables have been extracted.
To validate the aforementioned simulations, numerous tests have been performed both on the multi-line readout cables and silicon microstrip sensors. Characterizations of multi-line readout cables and silicon microstrip sensors in laboratory conditions have been found to agree reasonably well with the simulations. Considering the expected radiation environment the behavior of silicon microstrip sensors have been studied especially in terms of noise and charge collection efficiency. Source-scan of the silicon microstrip sensors using 241Am is presented. In order to test a first system of detector stations including the data acquisition system, slow control and online monitoring software and for track reconstruction, in-beam tests have been performed at the COSY synchrotron of the Research Center Juelich, Germany. Further, different design parameters have been suggested to improve the sensor and readout cable design on the basis of the simulations and the measurements. Many of these parameters have been implemented in the new prototypes under production. These new prototypes will be tested in-beam by the end of 2013.