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Walter Greiner: in memoriam
(2017)
Walter Greiner (29 October 1935 - 6 October 2016) was a German theoretical physicist. His scientific research interests include the thematic areas of atomic physics, heavy ion physics, nuclear physics, elementary particle physics (particularly quantum electrodynamics and quantum chromodynamics). He is most known in Germany for his series of books in theoretical physics, but he is also well known around the world. Greiner was born on October 29, 1935, in Neuenbau, Sonnenberg, Germany. He studied physics at the University of Frankfurt (Goethe University in Frankfurt Am Main), receiving in this institution a BSci in physics and a Master’s degree in 1960 with a thesis on plasma-reactors, and a PhD in 1961 at the University of Freiburg under Hans Marshal, with a thesis on the nuclear polarization in μμ-mesic atoms. During the period of 1962 to 1964 he was assistant professor at the University of Maryland, followed by a position as research associate at the University of Freiburg, in 1964. Starting in 1965, he became a full professor at the Institute for Theoretical Physics at Goethe University until 2003. Greiner has been a visiting professor to many universities and laboratories, including Florida State University, the University of Virginia, the University of California, the University of Melbourne, Vanderbilt University, Yale University, Oak Ridge National Laboratory and Los Alamos National Laboratory. In 2003, with Wolf Singer, he was the founding Director of the Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS), and gave lectures and seminars in elementary particle physics. He died on October 6, 2016 at the age of 80.
Walter Greiner was an excellent teacher, researcher, friend. And he was a great supporter of the series of events known by the acronyms IWARA - International Workshop on Astronomy and Relativistic Astrophysics, STARS - Caribbean Symposium on Cosmology, Gravitation, Nuclear and Astroparticle Physics, and SMFNS - International Symposium on Strong Electromagnetic Fields and Neutron Stars. Walter Greiner left us. But his memory will remain always alive among us who have had the privilege of knowing him and enjoy his wisdom and joy of living.
The W and Z boson production was measured via the muonic decay channel in proton-lead collisions at sNN−−−√=5.02 TeV at the Large Hadron Collider with the ALICE detector. The measurement covers backward (−4.46<ycms<−2.96) and forward (2.03<ycms<3.53) rapidity regions, corresponding to Pb-going and p-going directions, respectively. The Z-boson production cross section, with dimuon invariant mass of 60<mμμ<120 GeV/c2 and muon transverse momentum (pμT) larger than 20 GeV/c, is measured. The production cross section and charge asymmetry of muons from W-boson decays with pμT>10 GeV/c are determined. The results are compared to theoretical calculations both with and without including the nuclear modification of the parton distribution functions. The W-boson production is also studied as a function of the collision centrality: the cross section of muons from W-boson decays is found to scale with the average number of binary nucleon-nucleon collisions within uncertainties.
The W and Z boson production was measured via the muonic decay channel in proton-lead collisions at sNN−−−√=5.02 TeV at the Large Hadron Collider with the ALICE detector. The measurement covers backward (−4.46<ycms<−2.96) and forward (2.03<ycms<3.53) rapidity regions, corresponding to Pb-going and p-going directions, respectively. The Z-boson production cross section, with dimuon invariant mass of 60<mμμ<120 GeV/c2 and muon transverse momentum (pμT) larger than 20 GeV/c, is measured. The production cross section and charge asymmetry of muons from W-boson decays with pμT>10 GeV/c are determined. The results are compared to theoretical calculations both with and without including the nuclear modification of the parton distribution functions. The W-boson production is also studied as a function of the collision centrality: the cross section of muons from W-boson decays is found to scale with the average number of binary nucleon-nucleon collisions within uncertainties.
We present a method that enables the identification and analysis of conformational Markovian transition states from atomistic or coarse-grained molecular dynamics (MD) trajectories. Our algorithm is presented by using both analytical models and examples from MD simulations of the benchmark system helix-forming peptide Ala5, and of larger, biomedically important systems: the 15-lipoxygenase-2 enzyme (15-LOX-2), the epidermal growth factor receptor (EGFR) protein, and the Mga2 fungal transcription factor. The analysis of 15-LOX-2 uses data generated exclusively from biased umbrella sampling simulations carried out at the hybrid ab initio density functional theory (DFT) quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) level of theory. In all cases, our method automatically identifies the corresponding transition states and metastable conformations in a variationally optimal way, with the input of a set of relevant coordinates, by accurately reproducing the intrinsic slowest relaxation rate of each system. Our approach offers a general yet easy-to-implement analysis method that provides unique insight into the molecular mechanism and the rare but crucial (i.e., rate-limiting) transition states occurring along conformational transition paths in complex dynamical systems such as molecular trajectories.
HADES is a fixed target experiment using SIS18 heavy-ion beams. It investigates the microscopic properties of matter formed in heavy-ion, proton and pion - induced reactions in the 1-3.5 GeV/u energy regime. In 2014 HADES used a secondary pion beam produced by interaction between high-intensity nitrogen primary beam and a beryllium target. In these conditions beam losses, generated by slow extraction and beam transport to the experimental area, led to activation of the beam line elements and triggered radiation alarms. The primary beam intensity had to be reduced and the beam optics modified in order to keep radiation levels within the allowed limits. Similar beam conditions are requested by HADES experiment for upcoming run in 2018 and in the following years. Therefore, a number of measures have been proposed to improve beam transmission and quality. These measures are: additional shielding, additional beam instrumentation, modification of beam optics and increase of vacuum chambers' apertures in critical locations. The optics study and preliminary results of FLUKA simulations for optimization of location of loss detectors are presented.
Die vorliegende Arbeit hat das Ziel, Plasmen koaxialer Beschleuniger in Hinblick auf die Erzeugung hoher Elektronendichten sowie als intensive UV/VUV-Backlighterquelle zu untersuchen. Hierzu wurde zunächst die Geometrie eines einzelnen Beschleunigers charakterisiert und optimiert, um die bestmöglichen Voraussetzungen für die anschließend durchgeführten Untersuchungen zur Kollision und Kompression der erzeugten Plasmen zu schaffen.
Das Funktionsprinzip des verwendeten Plasmabeschleunigers basiert auf einer Lorentzkraft, die aus dem Stromfluss zwischen zwei koaxial angeordneten Elektroden und dem damit verbundenen Magnetfeld resultiert. Da weder Stromdichte noch Magnetfeld homogen sind, wirkt auch die Lorentzkraft inhomogen auf die Plasmaschicht. Unter Einbeziehung von Simulationen wurde der Abstand zwischen den Elektroden auf 2,5 mm gesetzt, sodass die Ausprägung dieser Inhomogenität möglichst gering gehalten wird. Um ein Pinchen des Plasmas am Ende der Elektroden zu vermeiden haben die Elektroden im Gegensatz zu Plasma Focus Devices die gleiche Länge. Der mit 130 nH niederinduktive elektrische Aufbau ermöglicht die zur Ausbildung einer Plasmaschicht erforderlichen Stromanstiegsraten in der Größenordnung von 10^11 A/s.
Die Messung der Geschwindigkeit der Plasmaschicht erfolgte mit einem Array aus sechs Dioden, die gleichzeitig die Geschwindigkeitsabnahme im Rezipienten dokumentieren. Zusätzlich wurden die Messungen mit Kameraaufnahmen verglichen. Bei einer Elektrodenlänge von 100 mm konnten mit dem verwendeten Heliumgas Schichtgeschwindigkeiten von bis zu (79,49 ± 7,98) km/s erreicht werden. Die Untersuchung von Elektroden mit 200 mm Länge verfolgte das Ziel, durch die größere Beschleunigungszeit höhere Geschwindigkeiten und kinetische Energien der austretenden Plasmaschicht zu erreichen. Es zeigte sich jedoch, dass es hierbei zur Ausbildung einer zweiten Entladung und einer damit verbundenen Abbremsung des Initialplasmas kommt. Die Untersuchungen ergaben, dass die optimale Elektrodenlänge dadurch gegeben ist, dass der Austritt des Plasmas aus dem Beschleuniger zum Zeitpunkt des ersten Stromnulldurchgangs erfolgt. Für die Berechnung der optimalen Elektrodenlänge wurde ein Skalierungsgesetz gefunden, die auf experimentellen Ergebnissen und Simulationen basiert.
Mit spektroskopische Messungen der Stark-Verbreiterung der Hβ-Linie konnte die Elektronendichte des Plasmas zeit- und ortsintegriert bestimmt werden. Die hierbei erzielte Maximaldichte von (6,83 ± 0,83) · 10^15 cm^-3 wurde bei 9 kV und 70 mbar gemessen. Die nach der Boltzmann-Methode zeit- und ortsintegriert bestimmten Elektronentemperaturen bewegt sich bei etwa 1 eV.
Nach ausreichender Charakterisierung des Einzelbeschleunigers wurde das Experiment um einen zweiten, baugleichen Plasmabeschleuniger erweitert, um die planare Kollision zweier Plasmen zu untersuchen. Die maximal gemessene Elektronendichte von n max e = (1,36 ± 0,21) · 10^16 cm^-3 bei 9 kV und 70 mbar stellt im Vergleich zum Einzelplasma eine Steigerung um einen Faktor von 2,48 dar und ist mit einer Temperaturerhöhung einhergehend. Diese Elektronendichteerhöhung lässt sich nicht durch einfaches Durchdringen der Schichten erklären. Vielmehr muss es in der Kollisionszone zu Wechselwirkungsprozesse in Form von Kompression, zur Erzeugung neuer Ladungsträger oder der Kombination aus beidem kommen.
Das Spektrum im UV/VUV-Bereich weist Linien von ab 85 nm auf. Dies stellt eine Verbesserung gegenüber dem Einzelbeschleuniger dar, bei dem die hochenergetischste Spektrallinie erst bei 97 nm gemessen wurde. In der Kollisionskonfiguration mit einem Beschleunigerabstand von 30 mm steigt die integrierte Gesamtintensität des Spektrums bis 300 nm zudem um einen Faktor von etwa 5,2.
Als Alternative zur Plasmakollision wurde die Kompression des Plasmas des Einzelbeschleunigers durch unterschiedliche Trichtergeometrien untersucht. Die untersuchten Trichter der ersten und zweiten Generation unterscheiden sich im Wesentlichen im Durchmesser der kleineren Öffnung. Dieser wurde basierend auf Simulationen von 5 mm auf 0,5 mm reduziert. Die Dichtediagnostik der ersten Trichtergeneration erfolgte hierbei über Hα-Linie, da die Verbreiterung der Hβ-Linie zu stark und daher nicht mehr anwendbar war. Die Auswertung der Halbwertsbreiten der Hα-Linie führt zu Elektronendichten in der Größenordnung von bis zu 1018 cm−3 bei Spannungen von 9 kV. Diese Steigerung um 1,5 bis 2,5 Größenordnungen im Vergleich zum Einzelbeschleuniger ist deutlich höher als das Verhältnis der Flächen des initialen Plasmas bzw. dem Ende des Trichters von etwa acht.
Der Trichter mit verringerter Öffnung wurde bei 5 kV und 5 mbar vermessen, um die mechanische Belastung durch den hohen Druck gering zu halten. Die Bestimmung der Elektronendichte erfolgte durch die Verbreiterung der Kupferlinie bei 479,4 nm nach den quadratischen Stark-Effekt. Trotz der im Vergleich zur ersten Trichtergeneration reduzierten Entladungsenergie und verringertem Druck sind die gemessenen Elektronendichten ebenfalls bei bis zu 10^18 cm^-3.
Durch die Kompression des Plasmas weist das Spektrum im UV/VUV-Bereich bereits Linien ab Wellenlängen etwa 53 nm auf, wobei es unter Berücksichtigung der Transmissionsgrenze von Helium bei 50 nm denkbar ist, dass das Plasma noch niedrigere Wellenlängen emittiert.
Aufgrund der gesammelten Ergebnisse lässt sich festhalten, dass sich die Elektronendichte sowohl durch die Kollision zweier Plasmen als auch durch die Kompression in Trichtergeometrien steigern lässt. Der Verdichtungseffekt der Trichterkompression ist hierbei um ein vielfaches höher, als bei der Plasmakollision. Dies spiegelt sich auch im UV/VUV-Spektrum wider. Beide Versuchsanordnungen eignen sich als Linienstrahler, allerdings weist das Spektrum der Trichterkompression Linien deutlich höherer Anregungszustände auf.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Ansätze zur Optimierung eines Alvarez Beschleunigers für Schwerionen untersucht. Dabei dient die Alvarez-Sektion des GSI UNILAC als Untersuchungsfeld, da für den Injektionsbetrieb für FAIR eine Erneuerung dieser Sektion erforderlich ist. Dies wird durch einen neuen und optimierten Alvarez-Beschleuniger gewährleistet, wobei Effizienz und Feldstabilität sowie hohe Verfügbarkeit eine wichtige Rolle spielen. Dazu wurden im Rahmen dieser Arbeit wichtige Simulationsrechnungen durchgeführt, ein Messaufbau zum experimentellen Test eines neuartigen Konzepts zur Feld-Stabilisierung ausgelegt, in Betrieb genommen und anhand von Messungen an einem speziell dafür entwickelten Resonatormodell verifiziert.
Ziel dieser Arbeit war es die experimentelle Demonstration des neuen Konzepts zur Feldstabilisierung eines Resonators. Es sollte geprüft werden, ob die zuvor durchgeführten Simulationen die realen Felder hinreichend zuverlässig vorhersagen. Diese experimentelle Prüfung ist angesichts der sehr hohen Baukosten eines realen Resonators von mehreren Millionen Euro unerlässlich. Vor Beginn dieser Arbeit war ein geeigneter Messaufbau, d.h. im Wesentlichen ein dediziertes Resonator-Modell, nicht verfügbar. Es galt ein Modell zu entwickeln, dessen Geometrie seht gut durch Simulationen modelliert werden kann, dessen Aufbau es aber trotzdem gestattet, eben diese Geometrie lokal zu variieren, um den angestrebten Effekt der Feld-Stabilisierung zu erreichen.
Aufgrund von Fertigungs- sowie Justage-Toleranzen gibt es Störungen der Feldhomogenität auf der Strahl- bzw. Resonatorachse. Die Feldhomogenität quantifiziert die Fluktuationen der tatsächlichen Feldstärke bezüglich des Idealwertes. Ein perfekt homogenes Feld weist keine Abweichungen auf. Bei einer lokalen Störung ist die Feldveränderung am Ort der Störung maximal und verringert sich mit dem Abstand von dieser. Es entsteht eine Verkippung des Feldes. Die Feldverkippung ist definiert als die durch die Störung verursachte Feldabweichung normiert auf die ungestörte Feldverteilung sowie auf die damit verbundene Änderung der Modenfrequenz. Letztere wird mit Tauchkolben kompensiert; die Feldhomogenität allerdings kann nicht wieder hergestellt werden. Die Feldhomogenität muss durch eine andere Maßnahme sichergestellt werden. Bei Alvarez-Kavitäten mit einem Tankradius R < 0,4m werden „post-coupler“ eingesetzt. Post-coupler sind dünne zylinderförmige Kupferstangen die seitlich an die Driftröhren herangefahren werden und an die Resonanzmode des Beschleunigers koppeln. Gleichzeitig wird die Sensibilität auf Störungen im Tank verringert, sodass die homogene Feldverteilung auch bei Störungen gut erhalten bleibt. Bei Beschleunigerstrukturen mit größeren Tankradien werden die post-coupler zu lang und erfordern einen zu großen Aufwand in der Konstruktion. In dieser Arbeit wurde eine alternative Methode für die Stabilisierung der Feldverteilung untersucht, welche die Winkelposition der Driftröhrenstützen nutzt.
Der in dieser Arbeit realisierte Resonator erlaubt die freie Einstellung der Winkel der Stützen sowie die exakte Justage der Driftröhren auf der Strahlachse. Es wurde ein Aluminium-Modell im Maßstab 1:3 zum realen Alvarez-Resonator gebaut. Dieser hatte zunächst eine Länge von ∼ 525mm und neun Driftröhren. Das Modell ist mit einem Profil der Geschwindigkeit der zu beschleunigenden Ionen ausgestattet, sodass die Driftröhren sowie die Spaltabstände entlang des Resonators länger werden. Mittels Simulationen wurden diverse Stützenkonfigurationen ausgewählt, die in den Messungen getestet wurden.
Mit dem Modell konnte gezeigt werden, dass bei bestimmten Stützenanordnungen die nächst höheren Moden weiter von der Betriebsmode entfernt werden können. Die besten Ergebnisse lieferte die Stützenkonfiguration mit fünf nach unten und vier nach oben orientierten Stützenpaaren (V-Stützen-Konfiguration 5+4). Hier liegt die nächst höhere Mode in den Messungen um mehr als 160MHz von der Grundfrequenz (326,7MHz) entfernt (Vergleich originale V-Stützen-Konfiguration: nächste Mode liegt 88MHz von der Grundmode entfernt). Wichtig ist die Eigenschaft der Modenseparation vor allem für den realen Einsatz der Kavität, da hier die Moden nur um wenige MHz voneinander entfernt liegen und dies zu Störungen im Betrieb des Resonators bei hoher HF-Leistung führen kann. Bei ungenügender Modenseparation wird die eingekoppelte HF-Leistung vom Resonator reflektiert. Mitunter können die erforderlichen Felder der Betriebsmode nicht erzeugt werden.
Im Falle einer Feldverkippung stimmt die reale Ionengeschwindigkeit entlang des Tanks nicht mehr mit der bei der Auslegung angenommenen überein. Das führt zu einer Verringerung der longitudinalen Strahlqualität bezüglich der erreichbaren Energieschärfe.
Zur systematischen Prüfung der Methode zur Feldstabilisierung wurden definierte Störungen in den Tank eingebaut. Die erste Driftröhre wurde jeweils um 1, 2 und 3mm verlängert. Da die Zahl der Zellen zu gering war für die statistisch signifikante Feldverkippungs-Messung, musste das Modell auf 21 Spalte erweitert werden. Die besten Ergebnisse bzgl. Feld-Stabilisierung lieferte die V-Stützen-Konfiguration 7+7+6. Hier bleibt das Feld trotz Störstelle homogen. Die Feldverkippung kann auf weniger als die Hälfte derjenigen der originalen V-Stützen-Konfiguration reduziert werden. Für den Fall der originalen Stützenkonfiguration erzeugt die oben beschriebene Störung eine Abweichung der Feldhomogenität von ±28%. Mit der in dieser Arbeit optimierten Stützenkonfiguration verändert sich die Feldhomogenität nur um ±9%.
Die Methode zur Feldstabilisierung mit einer optimierten Stützenanordnung ohne den Einsatz von post-couplern konnte am Modell gezeigt werden. Weiterhin wurde eine bessere Effizienz mit Zunahme der Tanklänge verifiziert. Im realen Alvarez-Tank wird die Anzahl der Spalte um einen Faktor 3 größer sein. Damit ergeben sich durch die erhöhte Anzahl zur Verfügung stehenden Stützen zusätzliche Konfigurationen, um eine Feldhomogenität von besser als ±1% zu gewährleisten.
Auf der Basis dieser Untersuchungen ist bei GSI der Bau einer zunächst ca. 2m langen Sektion des neuen Alvarez-DTL mit 11 Driftröhren vorgesehen. Dabei werden Flansche für verschiedene Stützenkonfigurationen integriert. Ziel ist es hierbei die Konstruktion, die Produktion, die Feldabstimmung sowie den Betrieb bei nominalen FAIR-Parametern zu testen. Sind die Tests erfolgreich, kommt diese Sektion bei der ersten Serie für den neuen Beschleuniger zum Einsatz.
Unparticle Casimir effect
(2017)
In this paper we present the un-Casimir effect, namely the study of the Casimir energy in the presence of an unparticle component in addition to the electromagnetic field contribution. The distinctive feature of the un-Casimir effect is a fractalization of metallic plates. This result emerges through a new dependence of the Casimir energy on the plate separation that scales with a continuous power controlled by the unparticle dimension. As long as the perfect conductor approximation is valid, we find bounds on the unparticle scale that are independent of the effective coupling constant between the scale invariant sector and ordinary matter. We find regions of the parameter space such that for plate distances around 5 μm and larger the un-Casimir bound wins over the other bounds.
Background: The Hawking–Perry–Strominger (HPS) work states a new controversial idea about the black hole (BH) information paradox , where BHs maximally entropize and encode information in their event horizon area , with no “hair” thought to reveal information outside but angular momentum, mass, and electric charge only in a unique quantum gravity (QG) vacuum state. New conservation laws of gravitation and electromagnetism , appear to generate different QG vacua, preserving more information in soft photon/graviton hair implants. We find that BH photon hair implants can encode orbital angular momentum (OAM) and vorticity of the electromagnetic (EM) field. Methods: Numerical simulations are used to plot an EM field with OAM emitted by a set of dipolar currents together with the soft photon field they induce. The analytical results confirm that the soft photon hair implant carries OAM and vorticity. Results: a set of charges and currents generating real EM fields with precise values of OAM induce a “curly”, twisted, soft-hair implant on the BH with vorticity and OAM increased by one unit with respect to the initial real field. Conclusions: Soft photon implants can be spatially shaped ad hoc, encoding structured and densely organized information on the event horizon
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung sowie der strukturellen und magnetischen Charakterisierung von zwei Materialklassen von kupferbasierten zweidimensionalen Quanten-Spin-Systemen: Quadratische Gitter von Dimeren sowie geometrisch frustrierte Kagomé Gitter. In beiden Systemen werden Substitutionen vorgestellt die zu verbesserten Eigenschaften führen.