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Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Messung von ψ(2S) Mesonen mit dem ALICE-Experiment am LHC untersucht. Das ψ(2S) gehört zur Familie der Charmonia und kann sowohl in Proton-Proton- als auch in Nukleon-Nukleon-Kollisionen erzeugt werden und ist daher ein wichiger Parameter in den Studien dieser. Die Rate, mit der ψ(2S) durch verschiedene Mechanismen erzeugt werden, liefert Informationen über den Ablauf der Kollision und ist ein hilfreicher Faktor bei der Suche nach dem Quark-Gluon Plasma. Da es sich beim ψ(2S) um ein Charmonium handelt, das in niedrigere Charmoniumzustände zerfallen kann, ist das Verständis des ψ(2S) ebenso für Studien anderer Charmonia, wie dem J/ψ(1S), relevant.
When performing transfer learning in Computer Vision, normally a pretrained model (source model) that is trained on a specific task and a large dataset like ImageNet is used. The learned representation of that source model is then used to perform a transfer to a target task. Performing transfer learning in this way had a great impact on Computer Vision, because it worked seamlessly, especially on tasks that are related to each other. Current research topics have investigated the relationship between different tasks and their impact on transfer learning by developing similarity methods. These similarity methods have in common, to do transfer learning without actually doing transfer learning in the first place but rather by predicting transfer learning rankings so that the best possible source model can be selected from a range of different source models. However, these methods have focused only on singlesource transfers and have not paid attention to multi-source transfers. Multi-source transfers promise even better results than single-source transfers as they combine information from multiple source tasks, all of which are useful to the target task. We fill this gap and propose a many-to-one task similarity method called MOTS that predicts both, single-source transfers and multi-source transfers to a specific target task. We do that by using linear regression and the source representations of the source models to predict the target representation. We show that we achieve at least results on par with related state-of-the-art methods when only focusing on singlesource transfers using the Pascal VOC and Taskonomy benchmark. We show that we even outperform all of them when using single and multi-source transfers together (0.9 vs. 0.8) on the Taskonomy benchmark. We additionally investigate the performance of MOTS in conjunction with a multi-task learning architecture. The task-decoder heads of a multi-task learning architecture are used in different variations to do multi-source transfers since it promises efficiency over multiple singletask architectures and incurs less computational cost. Results show that our proposed method accurately predicts transfer learning rankings on the NYUD dataset and even shows the best transfer learning results always being achieved when using more than one source task. Additionally, it is further examined that even just using one task-decoder head from the multi-task learning architecture promises better transfer learning results, than using a single-task architecture for the same task, which is due to the shared information from different tasks in the multi-task learning architecture in previous layers. Since the MOTS rankings for selecting the MTI-Net task-decoder head with the highest transfer learning performance were very accurate for the NYUD but not satisfying for the Pascal VOC dataset, further experiments need to varify the generalizability of MOTS rankings for the selection of the optimal task-decoder head from a multi-task architecture.
Computational workflow optimization for magnetic fluctuation measurements of 3D nano-tetrapods
(2021)
The detailed understanding of micro–and nanoscale structures, in particular their magnetization dynamics, dominates contemporary solid–state physics studies. Most investigations already identified an abundance of phenomena in one–and two–dimensional nanostructures. The following thesis focuses on the magnetic fingerprint of three–dimensional CoFe nano–magnets, specifically the temporal development of their hysteresis loop. These nano–magnets were grown in a tetrahedral pattern on top of a highly susceptible home–build GaAs/AlGaAs micro–Hall sensor using focused electron beam induced deposition (FEBID).
During the measurements, utmost efforts were employed to exemplify current best research practices. The data life cycle of the present thesis is based upon open–source data science tools and packages. Data acquisition and analysis required self–written automated algorithms to handle the extensive quantity of data. Existing instrumental-controlling software was improved, and new Python packages were devised to analyze and visualize the gathered data. The open–source Python data analysis framework (ana) was developed to facilitate computational reproducibility. This framework transparently analyses and visualizes the gathered data automatically using Continuous Analysis tools based on GitLab and Continuous Integration. This automatization uses bespoke scripts combined with virtualization tools like Docker to facilitate reproducible and device–independent results.
The hysteresis loops reveal distinct differences in subsequently measured loops with identical initial experimental parameters, originating from the nano–magnet’s magnetic noise. This noise amplifies in regions where switching processes occur. In such noise–prone regions, the time–dependent scrutinization reveals presumably thermally induced metastable magnetization states. The frequency–dependent power spectral density uncovers a characteristic 1/f² behavior at noise–prone regions with metastable magnetization states.
This work deals with the determination of the scale parameter ΛM̄S̄ from lattice QCD and perturbation theory results of the static quark-antiquark potential for nf = 2. The investigation is done in momentum space. Lattice methods as well as perturbation theory calculations are introduced. Another part of this work concerns the calculation of the quark-antiquark potential from gauge link configurations for nf = 2 + 1 + 1.
In dieser Arbeit wurde der langsame Neutroneneinfang (s-Prozess) mit dem Nukleosynthese-Programm NETZ simuliert. Ziel solcher Programme ist es, die solare Häufigkeitsverteilung zu reproduzieren.
Der s-Prozess dient der Synthese von Elementen schwerer als Eisen und ereignet sich in astrophysikalischen Szenarien mit relativ geringen Neutronendichten. Dadurch sind die Neutroneneinfangzeiten meist größer als die Betazerfallszeiten und der Prozesspfad folgt dem Stabilitätstal in der Nuklidkarte. Aus diesem Grund sind die Reaktionsraten gut messbar und es steht ein umfangreiches Daten-Netzwerk zur Verfügung, welches in die Simulationen einfließen kann.
Man unterschiedet zwischen der schwachen- und der Hauptkomponente des s-Prozesses. Die schwache Komponente findet in massereichen Sternen (M > 8M⊙) beim Helium-Kernbrennen und Kohlenstoff-Schalenbrennen statt. Bei Temperaturen über 2.5 × 108 K wird die Reaktion 22Ne(α ,n)25Mg aktiviert, welche Neutronen liefert, die von der Eisensaat eingefangen werden. Bei einer mittleren Neutronendichte von 106/cm3 reicht die Neutronenbestrahlung jedoch nicht aus, um den Synthesefluss über die abgeschlossene Neutronenschale bei N = 50 hinweg zu treiben. Folglich werden nur Isotope zwischen Eisen und Yttrium (56 < A < 90) aufgebaut.
Schwerere Isotope (90 ≤ A ≤ 208) werden dagegen in der Hauptkomponente synthetisiert. Diese findet in thermisch pulsierenden AGB-Sternen statt, in denen während des Helium-Schalenbrennens Neutronen hauptsächlich über die Reaktion 13C(α ,n)16O zur Verfügung gestellt werden.
Am Ende der jeweiligen Brennphasen gibt es einen Anstieg von Temperatur und Neutronendichte, welche jedoch nicht die globale Häufigkeitsverteilung, wohl aber Verzweigungspunkte beeinflussen können. An diesen Punkten liegen die Neutroneneinfang- und Betazerfallszeiten in der gleichen Größenordnung, sodass der s-Prozesspfad aufspaltet.
Hinzu kommt, dass unter stellaren Bedingungen die Reaktionsraten starken Änderungen unterworfen sein können. Bei hohen Temperaturen und Dichten befinden sich die Kerne in angeregten Zuständen, die wie auch der Grundzustand Neutronen einfangen oder radioaktiv zerfallen können, jedoch bei veränderten Raten. Dieser Sachverhalt kann einen Einfluss auf die Häufigkeitsverteilung haben.
Das umfangreiche Reaktionsnetzwerk des s-Prozesses kann schnell und mit guter Genauigkeit mit dem Programm NETZ berechnet werden. Dabei muss dem Programm ein Neutronenpuls - der zeitliche Verlauf von Neutronendichte und Temperatur - vorgegeben werden. Ziel dieser Arbeit war es, einen geeigneten solchen Puls zu finden, um die bisherigen Ergebnisse von NETZ zu optimieren. Außerdem wurde eine Aktualisierung der Reaktionsraten und solaren Häufigkeitsverteilung durchgeführt.
Die neuen Neutronenpulse für die schwache- und Hauptkomponente liefern eine Verbesserung in der Übereinstimmung von berechneter und solarer Häufigkeit. Dabei konnte für die Hauptkomponente sowohl ein Profil mit einem rechteckigen als auch mit einem exponentiellen Verlauf der Neutronendichte gefunden werden.
Darüber hinaus bietet NETZ die Möglichkeit, den Einfluss veränderter Reaktionsraten auf die Häufigkeitsverteilung abzuschätzen. Dazu steht inzwischen auch ein Online-Interface zur Verfügung. Dies ist besonders interessant, wenn es neue Messungen z.B. für Neutroneneinfangreaktionen gibt und man die Relevanz für den s-Prozess bestimmen möchte. So konnte in dieser Arbeit die Bedeutung der kürzlich neu gemessenen Raten für 63,65Cu(n,γ) und 69,71Ga(n,γ) beurteilt werden.
Experimente und Simulationen zur Filterung und Injektion in einen toroidalen Ionenspeicherring
(2014)
Die in dieser Arbeit durchgeführten theoretischen Untersuchungen, Simulationen und Experimente hatten das Ziel, die Erforschung der Injektion in sowie des Transports von Ionenstrahlen bestehend aus verschiedenen, einzelnen Wasserstoffionenspezies durch toroidale Magnetfeldstrukturen zu ermöglichen. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neues Filter- und Detektorsystem für Wasserstoffionenstrahlen – ein Filterkanal – entwickelt, aufgebaut und untersucht. Zunächst wurde mittels theoretischer Betrachtungen das Konzept des Kanals und die Funktionalität der Filterung sowie Vermessung der Strahlzusammensetzung analysiert. Danach wurde der Kanal mit Hilfe von Simulationen ausgelegt und anschließend nach genauen Vorgaben gebaut. Gleichzeitig wurde mittels weiterer Simulationen das Strahlverhalten im Kanal genauer analysiert und zusätzlich die Auswirkungen verschiedener Parameter auf das Filterverhalten des Kanals untersucht. Anschließend wurde der zusammengebaute Kanal mittels Experimenten erforscht. Dabei wurden mehrere Experimente mit verschiedenen Quellen- und Strahlparametern durchgeführt, wobei vor allem die Filtereigenschaften sowie die Vermessung der Strahlzusammensetzung umfangreich untersucht und im Bezug auf die Funktionalität des Filterkanals diskutiert wurden.
Des Weiteren befasste sich diese Arbeit mit dem Aufbau des Injektionsexperiments zur Untersuchung der Injektion eines Wasserstoffionenstrahls zwischen zwei Toroidsegmente. Dazu wurde ein höhenverstellbarer Injektor samt Hochspannungsterminal und Peripherie entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Dieser besteht aus einer Volumenionenquelle, einer neu entwickelten Faraday-Tasse sowie einem Solenoid. Die Faraday-Tasse, welche zur Vermessung des Quellenstroms im neuen Injektor sowie zusätzlich zur Vermessung des Ionenstrahlstroms hinter dem Filterkanal eingesetzt wird, wurde dabei im Rahmen dieser Arbeit entwickelt, experimentell durchgemessen und auf ihre Funktionalität geprüft. Im Zusammenhang mit dem Hochspannungsterminal für den neuen Injektor wurden die verschiedenen Möglichkeiten für die Verschaltung einer Volumenionenquelle mit dem dazugehörigen Hochspannungsterminal diskutiert und der Zusammenhang zur Strahlenergie hergestellt.
Mittels theoretischer Rechnungen wurde der aufgrund der RxB Drift benötigte Höhenunterschied zwischen Injektionskanal und Transportkanal für das Injektionsexperiment bestimmt und der neue Injektor auf den errechneten Bereich vorkonfiguriert. Zusätzlich wurde mittels Simulationen die optimale Strahlenergie bestimmt, bei der der Strahl beim Transport durch den Transportkanal angepasst ist und somit die Auswirkung der Driftsektion zwischen den beiden Toroidsegmenten sowie die Beeinflussung durch das Injektionssystem am geringsten sein sollten. In diesem Zusammenhang wurde auch auf die möglichen Geometrien zum Aufbau des Injektionsexperiments eingegangen und mittels der angesprochenen Untersuchungen eine Geometrie für den Aufbau des Injektionssystems festgelegt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine JTAG-Ansteuerung für MIMOSA26-Sensoren basierend auf FPGA-Boards entwickelt. Als VHDL-Code ist die Implementierung anpassbar. Jede JTAG-Chain wird durch einen unabhängigen JTAG-Chain-Controller angesteuert, so dass sich begrenzt durch die Zahl der I/O-Leitungen und die Ressourcen die Anzahl der JTAG-Chain-Controller auf einem FPGA einstellen lässt. Die Anpassbarkeit hat sich bereits bei der Strahlzeit am CERN im November 2012 gezeigt, für die eine Version mit drei JTAG-Chain-Controllern auf einem FPGA und Ausgängen auf einem SCSI-Kabel synthetisiert wurde. Dabei wurde die Prototyp-Frontend-Elektronik Version 1 verwendet. Außerdem ist die Größe des pro Sensor verwendeten Speichers (in Zweierpotenzen) im VHDL-Code einstellbar, um auch eventuelle zukünftige Sensoren mit größeren Registern zu unterstützen.
Aus dieser Sicht sollte die Implementierung mit kleinen Anpassungen im finalen MVD verwendbar sein, es gibt jedoch wie immer noch Verbesserungsmöglichkeiten, z.B. die Verwendung eines externen Speichers. Des Weiteren fehlt noch eine grafische Benutzeroberfläche für den finalen MVD, wobei wie bei den anderen Detektoren von CBM dazu eine Steuerung basierend auf EPICS entwickelt werden sollte, um eine einheitliche Oberfläche zu erreichen.
Auf Seiten der Elektronik für ded finalen MVD gibt es noch einige offene Fragen, vor allem bei der Entwicklung der Zuleitungen für die Sensoren. Die Signale auf den Flexprint-Kabeln zeigen bereits bei kurzen JTAG-Chains ein hohes Übersprechen (Abschnitt 9.1.2), das zu hoch werden könnte, wenn man Sensor-Module mit mehr als einem Sensor (wie für den finalen MVD geplant, siehe Kapitel 3) an das bisher verwendete Chain-FPC anschließt.. Es kann jedoch auch gut sein, dass das Übersprechen gar kein Problem darstellen wird. Prinzipiell besteht die Möglichkeit, dass sich das Übersprechen z.B. durch Einfügen einer Masseschicht in Kabel und Boards reduzieren lässt, was in Simulationen gezeigt wurde (siehe Kapitel 8). Jedoch wurden in diesen Simulationen die Steckverbinder und eventuelle Fehlanpassungen der Boards vernachlässigt, weshalb nicht sicher ist, ob bzw. wie gut sich dies praktisch umsetzen lässt. In jedem Fall stellen die betrachteten Möglichkeiten, das Übersprechen zu reduzieren, einen erhöhten Aufwand dar. Daher erscheint es sinnvoll, zuerst eine konkrete Geometrie für die Elektronik des finalen MVD zu entwerfen1, und für diese zu ermitteln, ob das Übersprechen ein Problem darstellt.
Dabei stellt sich die wichtige Frage, wie viele Sensoren auf einem Sensor-Modul mit einem einlagigen Kabel in der zur Verfügung stehenden Breite angeschlossen werden können, da mindestens vier zusätzliche Datenleitungen für jeden weiteren Sensor erforderlich sind.
Der digitale Wandel wirkt sich auf das alltägliche Leben in der modernen Lebenswelt im 21. Jahrhundert aus. Ob im Berufs- oder Privatleben, digitale Medien sind nicht mehr aus dem alltäglichen Leben wegzudenken und sie erleichtern das Leben maßgeblich.
E-Learning wird insbesondere in der Erwachsenenbildung benutzt und diese Branche "boomt". Umstritten ist dennoch, ob digitale Medien und E-Learning in Schulen eingesetzt werden sollten und ob ein Lernen und Lehren mit neuen Medien sinnvoll ist. Derzeitig ist keine bundesweite einheitliche Lehrerausbildung bezüglich des Umgangs mit digitalen Medien im Kontext Lehren und Lernen und den damit verbundenen Herausforderungen vorhanden.
Es stellt sich die Frage, wie neue Medien im Unterricht verwendet werden und welche Aspekte beim Lehren zu beachten sind.
Der digitale Wandel wirkt sich auf das alltägliche Leben in der modernen Lebenswelt im 21. Jahrhundert aus. Ob im Berufs- oder Privatleben, digitale Medien sind nicht mehr aus dem alltäglichen Leben wegzudenken und sie erleichtern das Leben maßgeblich.
E-Learning wird insbesondere in der Erwachsenenbildung benutzt und diese Branche "boomt". Umstritten ist dennoch, ob digitale Medien und E-Learning in Schulen eingesetzt werden sollten und ob ein Lernen und Lehren mit neuen Medien sinnvoll ist. Derzeitig ist keine bundesweite einheitliche Lehrerausbildung bezüglich des Umgangs mit digitalen Medien im Kontext Lehren und Lernen und den damit verbundenen Herausforderungen vorhanden.
Es stellt sich die Frage, wie neue Medien im Unterricht verwendet werden und welche Aspekte beim Lehren zu beachten sind.