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Aufbau und Test einer COLTRIMS-Apparatur zur Untersuchung der Ionisation von metastabilem Helium (2007)

Ralf Nörenberg

In der vorliegenden Arbeit wurde ein COLTRIMS-Experiment, zur Untersuchung eines angeregten, spinpolarisierten Gastargets in starken Laserfeldern, aufgebaut. Das zu untersuchende kalte Gastarget wird durch eine Überschallexpansion in der Quellkammer erzeugt. Zusätzlich wird in der dafür vorhergesehenen Düse über eine Gleichstromentladung in einer MSE ein Plasma im Gas gezündet. Dieses Plasma regt einen Teil der Gasatome in den gewünschten spinpolarisierten Zustand an. Für den Aufbau der Düse wurde auf das bereits bewährte Prinzip von [Jah02] zurückgegriffen und dieses im Detail verbessert. Die Stromzufuhr für die Hochdruckseite der MSE (s. Kap. 3.3.2) verläuft jetzt entlang der Gaszuleitung während die Niederdruckseite der MSE über das Düsengehäuse geerdet ist. Durch diese Vorgehensweise wird ein ungewolltes Brennen des Plasmas außerhalb der Düse unterbunden. Zudem ist die MSE nun von außen mit dem Düsendeckel verschraubt und lässt sich so leichter austauschen. Für eine längere Brenndauer (10-15 h) des Plasmas werden die stabileren Kupfer- oder Wolfram-MSEs verwendet. Die Separation der (", ")-Zustände erfolgt durch einen eigens für dieses Experiment angefertigten Hexapolpermanentmagneten [Jah02]. Der Strahl wird zwecks einer maximalen Ablenkung des gewünschten spinpolarisierten Anteils nahe eines Pols eingeschossen. Die Kenntnis über die Strahlqualität nach der Expansion sowie die zusätzliche Fokussierungseigenschaft des Magneten lassen auf einen gut lokalisiertes Target schließen. Nach vorangegangen Berechnungen beträgt die Targetdichte ca. 5·10exp6 /cmxcm bei einer Fokusausdehnung von ca. 1-2 mm. Diese Werte beschreiben jedoch nur einen Mittelwert, da es durch die Abnutzung der MSEs und deren Wechsel zu verschiedenen Brennzuständen des Plasmas kommen kann. Der Laserstrahl wird unter Verwendung eines Periskops orthogonal zu der um 3° gekippten Tragetstrahl-Spektrometer-Ebene eingeschossen. Er kreuzt den Targetstrahl in der Mitte des Spektrometers, welches dafür verantwortlich ist die Fragmente der Reaktion mit Hilfe eines elektrischen und magnetischen Feldes in Richtung der Delayline-Detektoren zu lenken. Dies ermöglicht eine genaue Untersuchung der Reaktion mit einer Raumwinkelakzeptanz von 4 Pi. Aufgrund des winzigen Fokusvolumens des Lasers kann auf eine Flugzeit- sowie Ortsfokussierung der Teilchen verzichtet werden. In diesem Experiment sollen anhand der Koinzidenz-Imaging-Technik von COLTRIMS Doppelionisationsprozesse von spinpolarisiertem Helium in starken Feldern untersucht werden. Eine besondere Aufmerksamkeit soll dabei der relativ neuen „Rescattering“-Theorie geschenkt werden. Bei diesem nichtsequentiellen Doppelionisationsmechanismus wird ein Elektron durch einen Laserpuls aus dem Atom gelöst. Durch das weiterhin anhaltende, oszillierende Laserfeld nimmt das Elektron genügend kinetische Energie auf, um zu dem Atom zurückzukehren und mit dem zweiten Elektron zu stoßen und dieses zu ionisieren. Das vorliegende Experiment kann somit als Elektronenstoßexperiment angesehen werden, bei dem sowohl Target als auch Projektil polarisiert sind. Die geplanten Messungen konnten leider aufgrund eines langanhaltenden Defekts des Frankfurter Lasersystems nicht durchgeführt werden. Erste Testmessungen zeigen allerdings, dass alle Einzelkomponenten des Aufbaus funktionieren. Der spinpolarisierte Heliumstrahl konnte erzeugt werden und der zu untersuchende Anteil verläuft mittig durch das COLTRIMSS-Pektrometer. Die beiden Delayline Detektoren wurden in Betrieb genommen und in einer Testmessung mit Argongas optimiert. Erste Flugzeitmessungen zeigen, dass auch das konzipierte Spektrometer entsprechend den Erwartungen funktioniert und auch die restliche Messelektronik einsatzbereit ist.

Zeit-Frequenz-Analyse neuronaler Oszillationen bei Patienten mit kognitiver Dysfunktion (2005)

Nuran Tunc-Skarka

Die vorliegende Arbeit ist der Fragestellung nachgegangen, ob sich die Gedächtnisleistung, insbesondere die von älteren Menschen, durch Gedächtnistraining verbessern lässt. Dabei sollen Verhaltensdaten und EEG-Daten, die simultan mit der Bewältigung einer Gedächtnisaufgabe erhoben wurden, korreliert werden. Untersucht wurden zwei verschiedene Gruppen. Zum einen Mild Cognitive Impairment Patienten und zum anderen eine altersähnliche Kontrollgruppe. Unter Mild Cognitive Impairment (MCI) versteht man eine leichte kognitive Beeinträchtigung des Gedächtnisses, welche aber die Kriterien einer Demenzmanifestation noch nicht erfüllt. Die Diagnosekriterien für MCI sind nicht einheitlich. Ein häufiges Kriterium wurde von Petersen (1999) definiert und ist die objektive Beeinträchtigung des Gedächtnisses ohne weitere kognitive Einbußen. Die Leistungsfähigkeit des Gedächtnisses/Gedächtnissubsystems muss dabei mindestens 1,5 Standardabweichungen schlechter sein, als die einer alters- und ausbildungsgleichen Population. Etwa 16-34 % aller 65 jährigen leiden unter dieser Form der kognitiven Beeinträchtigung. Schätzungen ergeben, dass 70 % der demenziellen Erkrankungen innerhalb von 2-3 Jahren aus einer MCI hervorgehen. Veränderungen des EEGs bei Patienten mit der Alzheimer'schen Demenz (AD) und MCI-Patienten wurden in den letzten Jahren untersucht, insbesondere Untersuchungen der EEG-Spontanaktivität, da diese vor allem bei den AD-Patienten leichter zu realisieren sind. Auffällig ist ein allgemein „langsamer“ werdendes EEG bei den Demenz-Patienten. Vor allem im okzipitalen Bereich ist ein Verlust des Alpha-Blocks beim Öffnen der Augen zu registrieren. In einem sehr frühen Stadium der AD ist meist noch kein verändertes EEG zu verzeichnen, ebenso bei MCI-Patienten. Eine beobachtbare Veränderung der EEG-Oszillationen könnte aber für eine frühe Diagnose der Krankheit und somit auch für eine frühe Behandlungsmöglichkeit von Bedeutung sein. Das Elektroenzephalogramm misst elektrische Potentiale, die im Gehirn durch „Neuronenaktivität“ verursacht werden und hat eine besonders gute zeitliche Auflösung (in ms Bereich) dafür aber eine schlechte räumliche. Die schlechte räumliche Auflösung ist dadurch zu begründen, dass man beim EEG „nur“ Oberflächenpotentialänderungen registrieren kann und dadurch nicht die Quelle der Potentiale lokalisieren kann. Die hohe zeitliche Auflösung des EEGs ermöglicht es aber die neuronale Aktivität während und auch nach der Kodierung sensorischer Informationen (z.B. visuelle Stimulation, wie in dieser Arbeit) zu beobachten. In vorliegender Arbeit wurde untersucht, ob gesunde, ältere Menschen im Vergleich zu Patienten mit leichter Gedächtnisstörung, beim Bewältigen einer Gedächtnisaufgabe, unterschiedliche Hirn-Aktivitäten aufweisen und inwieweit ein Gedächtnistraining von vier Wochen die Gedächtnisleistung der Probanden/Patienten aber auch das EEG-Aktivitätsmuster verändern kann; ob das Gedächtnis also auch im Alter oder sogar bei Dysfunktionen durch Training verbessert werden kann. Dabei galt gerade dem frontalen Bereich besonderes Interesse, da diesem Bereich für das Gedächtnissystem eine besondere Relevanz zugeschrieben wird. Eine delayed matching to sample Aufgabe wurde für visuelle Stimulation, Testung des Arbeitsgedächtnisses und für das kognitive Training durchgeführt. Die neuropsychologischen Daten wurden hierfür mit den EEG-Daten korreliert.

Auger-Zerfall auf raumfesten CO-Molekülen (2007)

Martin Balser

In der vorliegenden Diplomarbeit wird die Auger-Ionisation des Kohlenstoffmonooxidmoleküls CO in linear und zirkular polarisierter Röntgenstrahlung untersucht. Die Strahlung liegt im Bereich des Vakuumultraviolett (VUV) bei 305eV und wird durch ein Elektronensynchrotron, die Advanced Light Source des Lawrence Berkeley National Laboratory, erzeugt. Die Energie eines Photons führt zur Photoionisation eines Elektrons aus dem 1s-Orbital des Kohlenstoffs. Das im darauf folgenden Augerzerfall ausgesandte Elektron und die jeweils einfach positiv geladenen Fragmente aus der Coulombexplosion des CO++-Molekülions werden hinsichtlich ihrer Impulse vermessen. Zur Impulsmessung wurde die in unserer Arbeitsgruppe laufend weiter entwickelte Methode COLTRIMS (COld Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) eingesetzt. Der experimentelle Aufbau gestattet prinzipiell die Messung aller bei der Ionisation freigesetzten geladenen Teilchen. Um die hochenergetischen Auger-Elektronen mit hinreichender Auflösung zu erfassen, wurde erstmals bei einer solchen Apparatur ein Abbremsfeld eingebaut. Dadurch werden allerdings die niederenergetischen Photoelektronen unterdrückt. Die Meßmethode erlaubt eine Rekonstruktion der Impulse der Fragmente zum Zeitpunkt der Ionisation und läßt Rückschlüsse auf die Dynamik der Ionisation zu. Die Winkelverteilung der Augerelektronen wird in Abhängigkeit von der Polarisation beobachtet. Die Verteilungen sowohl des Polar- als auch des Azimutwinkels zur rekonstruierten Molekülachse zeigen keine ausgeprägte Abhängigkeit von der Polarisation. Dies rehabilitiert das von Guillemin et al. in Frage gestellte Zweistufenmodell des Augerzerfalls. Durch Selektion der kinetischen Energie der Augerelektronen und der bei der Coulombexplosion freigesetzten kinetischen Energie (KER) gelingt es, kurzlebige Molekülionen nach Drehimpulszuständen zu trennen und deutlich anisotrope Emissionsmuster zu beobachten. Die Muster lassen sich qualitativ erklären. Langlebigere Molekülionen zeigen ein scharfe Vibrationlinien im KER-Spektrum. Das Vibrationsspektrum wird analysiert und in Bezug zu vorangehenden Messungen gesetzt. Durch die koinzidente Meßmethode ist es möglich, bislang nicht beobachtbare Vibrationslinien zu identifizieren.

Aufbau eines Experimentes zur Untersuchung der Ionenstrahlkühlung mit Hilfe eines HF-Quadrupols (2003)

Evangelos Vassilakis

Die Arbeit beschreibt ein Experiment zur Kühlung eines 40Ar-Ionenstrahls mittels eines 4He-Hintergrundgases innerhalb eines unmodulierten RF-Quadrupols von 500 mm Länge. Ziel des Experimentes war es, den Einfluss der Gaskühlung auf die Qualität von Ionenstrahlen geringer Energie und Intensität zu untersuchen. Die Ionen wurden bei unterschiedlichen Spannungen aus einem Duoplasmatron extrahiert und vor der Injektion in den Quadrupol durch ein elektrostatisches Linsensystem formiert. Die Stromstärke der Strahles wurde mittels einer Faradaytasse gemessen, die mit einer Sekundärelektronen unterdrückenden Repellerblende ausgestattet ist. Der Einfluß der variierten Parameter Hintergrundgasdruck, Quadrupolfrequenz und Strahlenergie auf die Qualität des Strahls wurde dabei nicht direkt über dessen, die Phasenraumverteilung beschreibende, Emittanz gemessen, sondern über die Veränderung der registrierten Strahlstromstärken an einer Blende konstanter Apertur, also der Brillanz abgeleitet. Vorbereitend wurden zunächst Duoplasmatron und Injektionssystem überholt, aufgebaut und mit der nötigen Energie- und Kühlversorgung ausgerüstet. Im anschließenden Testlauf mit ungekühlten Heliumionen wurden die einzustellenden Werte der Betriebsparameter Quellendruck und diverse Blendenspannungen ermittelt und das System auf seine der Reproduktion dienenden Stabilität geprüft. Dabei wurden im Dauerbetrieb Strahlstromstärken von 0,29 mA bei 1 keV/u und 0,02 mA bei 0,15 keV/u Strahlenergie erzielt. Mittels der bekannten Emittanz des Helium-Strahls bei 1 keV/u Energie und 0,25 mA Strahlstromstärke wurde die jeweilige normierte Emittanz der noch ungekühlten Strahlen auf 2,18*10-2 im ersten und 1,61*10-2 im zweiten Fall abgeschätzt. Zur Gaskühlung wurde ein Quadrupol mit 10 mm Apertur- und 7,5 mm Elektrodenradius gefertigt und mit einem Phasentrenner gekoppelt. Ein Breitbandgenerator und -Verstärker dienten der frequenz- und spannungsvariablen Elektrodenbelegung. Der Hintergrundgasdruck wurde mittels einem handelsüblichen Regelventil variiert. Um der ein großes Masseverhältnis von Strahlionen zu Hintergrundgas fordernden Theorie Rechnung zu tragen, wurden Argon als Ionen und Helium als Buffergas gewählt. Einer eingehenden Untersuchung der Auswirkung der einzelnen Komponenten und ihrer Kombination auf die Eigenschaften des Ionenstrahls folgte eine schrittweise Variation von Quadrupolfrequenz und Hintergrundgasdruck im Bereich 1-5 MHz und 9*10-6 - 4*10-3 mbar bei den Strahlenergien 15, 25 und 80 eV/u. Die hierbei gemessenen Strahlstromstärken wurden über die frequenzabhängige Elektrodenspannung normiert und mit der Stärke der ungekühlten Strahlen verglichen. Bei 15 eV/u Strahlenergie konnte die gemessene Maximalstromstärke um 43 % von 0,014 µA/V ungekühlt auf 0,02 µA/V bei 1*10-4 mbar Hintergrundgasdruck gesteigert werden. Die Strahlstromstärke des Strahles mit 25 eV/u Energie wurde von 0,045µA/V des ungekühlten auf 0,1 µA/V bei ca. 6*10-5 mbar verdoppelt. Bei 80 eV/u Energie blieb die Strahlstromstärke mit 0,35 µA/V unverändert, jedoch wurde im gesamten Bereich zwischen 2*10-5 und 3*10-5 mbar und 3,4 - 4,6 MHz mit annähernd konstanten 0,28 µA/V ein Plateau hoher Strahlstromstärke registriert, dem etwa 0,06 µA/V im ungekühlten Strahl entgegenstehen. Ein weniger stark ausgeprägtes Analogon wurde bei 15 eV/u im Frequenzbereich um 3,5 MHz beobachtet. In zwei von drei Fällen konnte im Experiment die Strahlstromstärke durch die Gaskühlung deutlich gesteigert werden, im dritten Fall wurde die Zahl der transportierten Ionen in einem zuvor ungeeigneten Frequenzbereich um den Faktor 4,5 gesteigert. Durch die Beziehung zwischen Strahlstromstärke I, Strahlbrillanz B und Strahlemittanz ε mit I~B~1/ε2 kann abschließend eine Verminderung der Strahlemittanz durch die Gaskühlung festgestellt werden. Die durchgeführten Experimente haben gezeigt, daß man bei niedrigen Strahlenergien einfach geladene Ionen bei relativ hohem Gasdruck und geeigneten Parametern des Quadrupols transportieren und die Emittanz des Strahls verbessern kann. Die Kombination von Quadrupol und Buffergas stellt also ein System dar, das als Gaskühler bei kleinen Strömen von Niedrigenergiestrahlen eingesetzt werden kann. Als nächstes würde zur weitergehenden, jedoch den Rahmen dieser Arbeit übersteigenden Untersuchung ein technisch und finanziell aufwändigerer Aufbau benötigt. Das benutzte Linsensystem würde durch ein auf die Ionensorte speziell abgestimmtes Injektionssystem und die Faradaytasse durch eine rechnergesteuerte, orts- und winkelauflösende Emittanzmessanlage ersetzt. Die somit erhaltene höhere Auflösung des Strahles würde den Übergang von der vorliegenden qualitativen Beschreibung der Gaskühlung zu einer quantitativen ermöglichen.

Studie zur Messung von Quarkonia mit dem ALICE-TRD und Aufbau eines Teststandes für seine Auslesekammern (2006)

Frederick Kramer

Als eines der Experimente am neuen Beschleuniger des Europäischen Labors für Teilchenphysik CERN, dem LHC, wird ALICE die Messung von Schwerionenkollisionen bei bislang unerreichten Energien ermöglichen. Die wichtigste Aufgabe ist dabei, verschiedene Phasen stark wechselwirkender Materie zu untersuchen und deren theoretisches Verständnis zu prüfen. Eine vielversprechende Observable ist die Rate produzierter Quarkonia, welche über ihren Zerfall in ein Leptonenpaar zu bestimmen ist. Daher ist die Hauptaufgabe des TRD, einem Subdetektor von ALICE, eine besonders gute Identifikation von Elektronen zu ermöglichen. Ein Teil der vorliegenden Arbeit war der Aufbau eines Teststandes für die Auslesekammern des TRD. Die verschiedenen vorgegebenen Messroutinen wurden zur Anwendung gebracht und wenn möglich verfeinert. Schließlich wurde die Prozedur der Langzeitsstabilitätsmessung verwendet, um den Koeffizienten der Elektronenanlagerung in der Gasmischung Ar-CO2 (70:30) zu bestimmen. Trotz der großen Ungenauigkeiten der Messung fügen sich die Ergebnisse sehr gut in die Systematik bereits vorhandener Daten bei ähnlichen Gasmischungen ein. Insbesondere bei Strahlenergien, wie sie am LHC verf¨ugbar sein werden, sind Kollisionen zweier Protonen eine wichtige Referenz für die Messung von Quarkonia in Schwerionenkollisionen. Dieser Studie zufolge ist es mit dem ALICE-TRD möglich, in 2 · 108 unselektierten (minimum bias) Proton-Proton-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 14 TeV ein signifikantes J/ψ-Signal aufzunehmen. Die Messung schwererer Quarkonia-Zustände ist ohne Ereignisselektion nicht möglich. Der größte Beitrag zum Untergrund oberhalb einer invarianten Masse von 0.5 GeV/c2 ist durch Zerfälle von Teilchen mit offenem charm oder beauty zu erwarten. Die Like-Sign-Methode lieferte das beste Ergebnis bei der Berechnung eines unkorrelierten Untergrundspektrums. Auch bei Transversalimpulsen des Elektron-Positron-Paars oberhalb von etwa 4 GeV/c ist noch ein signifikantes J/ψ-Signal zu erwarten, zudem offenbar mit einem verhältnismäßig geringeren Beitrag durch Untergrund. Bei einem vorläufigen Einsatz von nur 4 der insgesamt 18 Supermodule des TRD ist ein zwar messbares, jedoch sehr reduziertes Signal zu erwarten. Bei einer noch geringeren Zahl scheint das ohne Ereignisselektion nicht möglich.

Energieabhängigkeit der K0S-Produktion in zentralen Pb+Pb Reaktionen (2006)

Claudia Strabel

Ultrarelativistische Schwerionenkollisionen bieten die Möglichkeit stark wechselwirkende Materie unter hohe Energiedichten zu versetzen und auf diese Weise ihre Eigenschaften zu untersuchen. Werden in den Reaktionen ausreichend große Temperaturen und Baryondichten erreicht, so erwartet man einen Phasenübergang von der hadronischen zu der partonischen Phase, dem Quark Gluon-Plasma. Das QGP ist ein Materiezustand, in dem die Quarks nicht mehr wie in der gewöhnlichen Materie in Hadronen gebunden sind, sondern als quasi-freie Teilchen neben den Gluonen vorliegen. Eines der Hauptziele der Schwerionenphysik besteht darin, solch ein theoretisch vorhergesagtes QGP experimentell zu erzeugen und den damit verbundenen Phasenübergang zu untersuchen. Die Produktion von seltsamen Teilchen stellt dabei eine grundlegende Observable dar, durch die Rückschlüsse auf den Reaktionsverlauf einer Schwerionenkollision gezogen werden können. In dieser Arbeit wurde die Produktion der neutralen Kaonen in Pb+Pb Reaktionen bei verschiedenen Energien untersucht. Die neutralen Kaonen können über die schwach zerfallenden K0S gemessen werden und stellen gemeinsam mit den geladenen Kaonen die in einer Schwerionenkollision am häufgsten erzeugten seltsamen Teilchen dar. Die Messungen der Pb+Pb Reaktionen wurden mit Hilfe des NA49 Experiments am Europäischen Zentrum für Teilchenphysik, dem CERN, durchgeführt. Bei diesem Experiment handelt es sich um ein magnetisches Spektrometer, das sich durch seine große Akzeptanz für geladene Hadronen auszeichnet und den Anforderungen hoher Teilchenmultiplizitäten, die insbesondere in zentralen Pb+Pb Reaktionen bei der maximalen SPS-Strahlenergie von 158A GeV auftreten, genügt. Im Rahmen des NA49 Energie-Scan Programmes wurden Schwerionenkollisionen neben einer Strahlenergie von 158A GeV auch bei 20A, 30A, 40A und 80A GeV gemessen. Die Vielzahl an experimentellen Daten ermöglicht ein detailliertes Studium der Energieabhängigkeit der hadronischen Endzustandsverteilung hochrelativistischer Schwerionenkollisionen. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten neutralen Teilchen K0S können anhand ihrer charakteristischen V0-Zerfallstopologie, welche sich bei ihrem schwachen Zerfall in ein Pi+Pi- - Paar ergibt, identifiziert werden. Durch die gemessenen Zerfallsprodukte wurde in der Analyse die invariante Masse der V0-Teilchen in differentiellen Phasenraum-Bins rekonstruiert. Mittels geeigneter QualitÄatskriterien konnte dabei der Untergrund aus zufälligen Kombinationen von primären Spuren, falschen Kombinationen mit sekundären Spuren, sowie Lambda s und Antilambda s von der K0S-Analyse weitgehend unterdrückt werden. Um auf die dadurch verursachten Verluste wahrer K0S, genauso wie auf jene Verluste, die aufgrund der geometrischen Akzeptanz des Detektors und weiterer Ineffizienzen auftreten, korrigieren zu können, wurde das Embedding herangezogen. Mit Hilfe dieses Verfahrens konnten die Korrekturfaktoren für die verschiedenen Phasenraumbereiche ermittelt und auf die jeweiligen Rohsignale angewendet werden. Der systematische Fehler der korrigierten Teilchenspektren konnte durch eine Vielzahl systematischer Studien abgeschätzt werden. Dabei wurde ein grundlegender Fehler aufgedeckt, dessen Ursprung in der GSI Methode liegt. Da die GSI Methode bereits in der Datenrekonstruktion, auf der diese Analyse beruht, Verwendung findet und in Folge dessen eine Behebung dieses Fehlers im Rahmen dieser Diplomarbeit nicht möglich war, wurde für die Ermittlung der Endergebnisse stattdessen die Birmingham Methode verwendet. Es wurden die korrigierten transversalen Massenspektren sowie die Transversalimpuls-Spektren der K0S bei Midrapidity für die drei untersuchten Strahlenergien von 30A, 40A, und 158A GeV präsentiert. Des Weiteren wurden die Rapiditätsspektren für die verschiedenen Energien gezeigt, aus denen wiederum die entsprechende totale Multiplizität <K0S> ermittelt werden konnte. Deren Energieabhängigkeit sowie die des inversen Steigungsparameters T wurden diskutiert und mit den Ergebnissen der geladenen Kaonen verglichen. Die gemessenen K0S-Rapiditätsspektren und totalen Multiplizitäten lagen zwar bei allen untersuchten Energien systematisch niedriger als die entsprechend gemittelten der geladenen Kaonen, haben jedoch, genauso wie der inverse Steigungs- parameter T, eine qualitativ ähnliche Energieabhängigkeit aufgezeigt. Weiterhin wurde das K0 S-Rapiditätsspektrum für 158A GeV mit denen anderer K0S-Analysen verglichen. Dabei konnte eine ähnliche Abweichung wie im Vergleich zu den geladenen Kaonen festgestellt werden. Abschließend wurde noch die Energieabhängigkeit des Verhältnisses von Kaonen zu Pionen in dem Energiebereich von AGS bis hin zu RHIC untersucht. Dabei konnte eine ausgeprägte Struktur in der Energieabhängigkeit des <Ki>/Pi-Verhältnisses beobachtet werden, welche als ein Indiz für einen Phasenübergang zu einem Quark Gluon-Plasma angesehen werden kann.

Farbsupraleitung in Quarksternen (2003)

Stefan Bernhard Rüster

Die Motivation dieser Diplomarbeit bestand darin, die Unterschiede zwischen der 2SC-< ud >-farbsupraleitenden und der normalleitenden Phase der Quarkmaterie aufzuzeigen und die Auswirkungen der 2SC-< ud >-farbsupraleitenden Phase auf Quarksterne zu untersuchen. Dabei sollte festgestellt werden, wie groß der farbsupraleitende Gap sein muß, damit sich die Eigenschaften der Quarksterne merklich ändern. Dazu wurde die Kopplungskonstante variiert. Die Ergebnisse aus Kapitel 5 lassen sich somit zu folgenden Resultaten zusammenfassen: Die 2SC-< ud >-farbsupraleitende wird immer der normalleitenden Phase der Quarkmaterie vorgezogen, weil sie energetisch günstiger ist. Zudem muß die Quarkmaterie neutral sein, denn sonst würde sie wegen der abstoßenden Coulombkraft nicht stabil sein und die Quarksterne würden explodieren. 2SC-< ud >-farbsupraleitende Quarkmateriemit freien, massiven strange Quarks besitzt den höchsten Druck bei gegebenem quarkchemischen Potential und ist damit am meisten bevorzugt vor allen anderen in dieser Diplomarbeit betrachteten Quarkmateriephasen. Durch das Einführen des farbchemischen und elektrischen Potentials wird die 2SC-< ud >- farbsupraleitende Quarkmaterie neutralisiert. In der 2SC-< ud >-farbsupraleitenden Phase ohne strange Quarks werden jedoch so viele Elektronen zur Neutralisation benötigt, daß der farbsupraleitende Gap erheblich verringert wird. Die 2SC-< ud >-farbsupraleitende Phase mit freien, massiven strange Quarks wird gegenüber der 2SC-< ud >-farbsupraleitenden Phase ohne strange Quarks energetisch bevorzugt, weil erstere nicht so viele Elektronen zur Neutralisation benötigt, da diese Aufgabe hauptsächlich von den strange Quarks übernommen und dadurch der Gap nicht so erheblich reduziert wird. Zudem kommt noch der freie strange Quarkdruck hinzu, der diesen Zustand energetisch begünstigt. 2SC-< ud >-farbsupraleitende Quarksterne ohne strange Quarks besitzen einen maximal 122 Meter kleineren Radius und eine maximal 0.016 M⊙ kleinere Masse als normalleitende Quarksterne ohne strange Quarks. 2SC-< ud >-farbsupraleitende Quarksterne mit strange Quarks besitzen einen maximal 72 Meter kleineren Radius und eine maximal 0.023 M⊙ kleinere Masse als normalleitende Quarksterne mit strange Quarks. Erhöht man den farbsupraleitenden Gap, dann werden die Quarksterne größer und schwerer. Vergrößert man die Kopplungskonstante um das 1.5-fache des angegebenen Referenzwertes (5.2), dann ungefähr verdoppelt sich der farbsupraleitende Gap. Ein Quarkstern mit strange Quarks weist dann eine Radiusdifferenz von einem Kilometer und eine Massendifferenz von 0.31 M⊙ zu einem Quarkstern mit normalleitender Phase auf. Durch Verringern des Referenzwertes der Kopplungskonstante wird auch der farbsupraleitende Gap reduziert und es treten so gut wie keine Unterschiede mehr zur normalleitenden Phase des Quarksterns auf.

Untersuchungen zur Photorekombination in Ion-Elektron Stößen (2005)

Regina Reuschl

Gegenstand der Untersuchungen dieser Arbeit ist der Einfangprozess der radiativen Rekombination gewesen. Dabei ist zwischen dem Einfang in die inneren Schalen, K- und L- Schale, und dem Einfang in die äußeren Schalen unterschieden worden. Für die inneren Schalen ist neben dem Einfang in nacktes auch die Untersuchung des Einfangs in wasserstoffartiges Uran möglich gewesen. Es hat sich herausgestellt, dass die experimentellen Ergebnisse fur den Einfang in die inneren Schalen von U92+ gut mit den theoretischen Erwartungen übereinstimmen. Dagegen haben sich für den Einfang in U91+ leichte Abweichungen bei Einfang in die K- Schale gezeigt. Was diese Abweichung verursacht hat, konnte nicht geklärt werden. In Uran koppeln die Elektronen der innersten Schalen aufgrund der Größe der Kernladung über jj- Kopplung, weswegen die Wechselwirkung der Elektronen untereinander keine wesentliche Rolle spielen sollte. Dennoch scheint das bereits in der K- Schale vorhandene Elektron die Einfangwahrscheinlichkeit eines zweiten Elektrons zu vermindern. Das Verhältnis U92+/U91+ entspricht nicht dem erwarteten Wert von nahezu 2, sondern ist mit 2,28 etwas größer. Bisherige, jedoch bei hohen Energien durchgefuhrte, Experimente haben in guter Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen gestanden. Daraus lässt sich schließen, dass dieser Effekt erst bei sehr kleinen Stoßenergien auftritt, wie sie im Kuhler vorliegen. An dieser Stelle sei auch daran erinnert, dass der Stoß zwischen Elektron und Ion senkrecht erfolgt und somit der Detektor die emittierten Photonen unter 90 Grad beobachtet. Dies ist gerade der Winkel unter dem der Wirkungsquerschnitt maximal ist. Im Gegensatz dazu zeigen die Daten für die L- Schale in beiden Fällen im Bereich ihrer Fehlerbalken die gleichen Ergebnisse. Dies ist nicht verwunderlich, da aufgrund der hohen Kernladungszahl von Uran ein Elektron in der K- Schale keinen bedeutenden Abschirmeffekt für die L- Schale verursacht. Daher bleiben die Einfangszustände für den Einfang in die L- Schale im Gegensatz zum Einfang in die K- Schale bei U91+ nahezu identisch. Beim Vergleich der experimentellen Daten mit einer nichtrelativistischen und relativistischen Theorie ist sowohl für die Verhältnisse der K-RR Linie mit den beiden L-RR Linien als auch bei den L-RR Linien untereinander stets eine bessere Übereinstimmung mit der relativistischen Theorie gezeigt worden. Dabei sei daraufhingewiesen, dass die Werte dieser beiden Theorien deutlich voneinander abweichen. Wähhrend die nichtrelativistische Theorie für das Verhältnis K-RR/L-RRj=1=2 beispielsweise einen Wert von 2,12 voraussagt, ergibt die vollständig relativistische Theorie einen Wert von 1,41. Der experimentelle Wert von 1,23 +- 0,03 zeigt nun eine deutlich bessere Übereinstimmung mit der relativistischen Theorie. Daraus kann geschlossen werden, dass auch bei Stoßenergien nahe null für die tiefstliegenden Zustände relativistische Effekte vorhanden sind, die in den Rechnungen berücksichtigt werden müssen. Die Untersuchung des Einfangs in die äußeren Schalen hat dagegen weniger Übereinstimmende Ergebnisse gebracht. Zwar hat sich gezeigt, dass die Form der experimentellen Spektren durch verzögerte Lyman alpha Übergänge erklärt werden kann, allerdings ist die Intensität der niederenergetischen Ausläufer in der Simulationen nicht erreicht worden. Rechnungen mit verschiedenen Anfangszuständen haben gezeigt, dass durch die Hinzunahme von Zuständen mit höherer Hauptquantenzahl n die Zahl der verspäteten Ereignisse erhöht werden kann. Jedoch nicht in dem Maße, dass eine Wiedergabe der experimentellen Spektren möglich würde. Rechnungen mit unterschiedlichen Bedingungen haben gezeigt, dass auch Zustände mit kleinen Übergangswahrscheinlichkeiten Einfluß auf die zeitliche Entwicklung der Kaskaden haben. Dagegen wird die Kaskade durch Ausschluss von Zuständen mit einem Verzweigungsverhältnis kleiner als 1% kaum beeinflußtt. Weiterhin macht es keinen Unterschied ob die Wegstrecke mit Schrittweiten von 1x10 exp (-14) oder 1x10 exp (-11) gerechnet wird. Größere Zeitschritte führen zu Abweichungen. In einem weiteren Teil der Auswertung sind die l- Zustände untersucht worden, die zu den verspäteten Ereignissen beitragen. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Zustände um l = n/3 den Hauptbeitrag zu den verspäteten Übergängen leisten. Bei den Yrastkaskaden lässt sich ein deutlicher Anstieg im Bereich von 30 ns beobachten, jedoch ist ihr Anteil im Vergleich zu den l = n/3 Zuständen deutlich geringer. Ihr Einfluss auf das Spektrum würde sich erst zu noch späteren Zeitpunkten bemerkbar machen. Der Beitrag verzögerter Ereignisse zu den Ausläufern der Lyman alpha - Linien ist nur aufgrund der relativistischen Raumwinkeltransformation verstärkt zu erkennen. Die effektiv vorhandene Intensität dieser verzögerten Ereignisse wird über die Raumwinkelkorrektur um ein Vielfaches erhöht. Tatsächlich folgt aus der Kaskadenrechnung ein Anteil verzögerter Übergänge an der gesamten Emission von nur 0,1 %, während er unter Berücksichtigung der Detektorgeometrie (Raumwinkelkorrektur für einen Beobachtungswinkel von 0 Grad) 4,6 % beträgt. Allerdings macht der im Experiment gemesse Anteil der verzögerten Emission 73,9 % der Gesamtemission aus. Er liegt also mehr als eine Größenordnung über dem Anteil, der sich aus der Kaskadenrechnung mit anschließender Simulation der Detektorgeometrie ergibt. Mit der momentanen Theorie ist es nicht möglich, die experimentellen Ergebnisse zu reproduzieren. Dies kann daran liegen, dass die Anfangsbesetzung gerade in den hohen Zuständen zu gering angesetzt wird. Da diese erst nach einigen Nanosekunden zu den Lyman alpha Übergängen beitragen, könnte eine höhere Anfangsbesetzung dieser Zustände zu einer Verstärkung der Linien beitragen. Es ist bisher noch nicht gelungen, eine Aussage darüber zu treffen, wodurch diese Ratenüberhöhung zustande kommt und welche physikalischen Aspekte dabei eine Rolle spielen. Möglicherweise ist die Verwendung der Stobbe-Theorie zur Berechnung der Rekombinationsraten freier Elektronen in hohe Rydbergzustände nicht richtig, weil es wegen der äußeren Felder im Kühler keine wirklich freien Elektronen in hohen Zuständen gibt. Zur detaillierteren Untersuchung dieses Phänomens hat im September 2004 die Gruppe um M. Pajek ein Experiment am Elektronenkühler durchgeführt [66]. Als Projektilionen sind wieder nackte Uranionen verwendet worden, allerdings bei einer Energie von 23 MeV. Detektoren sind unter 0 Grad und 180 Grad montiert worden. Während des Messzyklusses ist die Kühlerspannung variiert worden, um die Elektronen einmal schneller und einmal langsamer als die Ionen fliegen zu lassen. Auf diese Art und Weise sollte herausgefunden werden, ob bei Relativenergien ungleich null ebenfalls eine Ratenüberhöhung auftritt. Erwartet wird, dass dies aufgrund der höheren Relativenergie nicht der Fall ist. Eine Auswertung der Daten liegt derzeit noch nicht vor.

Bestimmung von Lyapunov-Exponenten aus Zeitreihen gemessener elektrischer Leitfähigkeiten (1995)

Oliver Philipp Günther

Wir haben uns mit der Leitfähigkeitsdynamik von Barium-Natrium-Niobat-Kristallen (BSN-Kristallen) auseinandergesetzt und haben verschiedene Untersuchungen zum Themenkreis Lyapunov-Exponenten anhand von experimentellen BSN-Zeitreihen durchgeführt. Als einen typischen größten Lyapunov-Exponenten von chaotischen BSN-Zuständen erhalten wir Werte in der Größenordnung von 0.1 / s. Der Maximalwert entspricht ca. 3.5 bits pro Attraktorumlauf. Wir beobachten für die Mehrzahl der chaotische BSN-Zustände entlang der unersuchten Ruelle-Takens-Newhouse-Route (RTN-Route) zwei positive Lyapunov-Exponenten mit einem schmalen Übergangsbereich in dem wir nur einen positiven Lyapunov-Exponenten erkennen. Diesen Befund interpretieren wir als eine kompleer werdende Dynamik mit wachsender Stromstärke durch den Kristall, die wir auch durch eine kompliziertere Attraktorstruktur der BSN-Zustände entlang der RTN-Route ins Chaos bestätigen können. Die Abschätzung von Lyapunov-Exponenten der BSN-Zustände entlang der RTN-Route bestätigen die meisten der Ergebnisse, die wir bisher mit anderen Verfahren erhalten haben. Die Kolmogorov-Entropie K1 die wir mit Gleichung (5) aus den positiven Lyapunov-Exponenten bestimmen, ist allerdings um etwa einen Faktor vier kleiner als Abschätzungen der Entropie K2, die sich aus Korrelationsbetrachtungen in vorangegangenen Untersuchungen ergeben haben. Durch die Untersuchungen zu lokalisierten Lyapunov-Exponenten erhalten wir eine detailliertere Beschreibung der BSN-Dynamik im rekonstruierten Ersatz-Phasenraum. Wir erkennen an verschiedenen Beispielen, daß die Attraktoren von BSN-Zuständen entlang der RTN-Route durch mindestens einen markanten Bereich mit großen positiven lokalisierten Lyapunov-Exponeten ausgezeichnet sind. Bezüglich der Variation der Attraktoren entlang der RTN-Route beobachten wir, wie sich bevorzugt diese Bereiche in ihrer Form verändern. Die chaotischen Zustände sind durch eine Attraktorregion ausgezeichnet, die einen sichtbar größeren lokalisierten Lyapunov-Exponenten besitzt, als die restlichen Gebiete. Wir führen diese Beobachtung auf das lokale Aufbrechen eines 2-Frequenz-Torus zurück und können diese Vermutung durch Untersuchungen zu einem chaotischen Zustand aus der RTN-Route belegen. Die Simulationsergebnisse zur BSN-Modellgleichung zeigen, daß die Gleichung innerhalb der untersuchten Parameterbereiche kein chaotisches Verhalten generiert. Die aus experimentellen Daten angepaßten Parametervektoren ->k deuten darauf hin, daß die Lösungen periodische Inseln in einer Fixpunktlandschaft darstellen. Mit den entwickelten Methoden zur Bestimmung von Lyapunov-Exponenten aus Delay-Differentialgleichungen stellen wir die Grundlage bereit, um zukünftige Untersuchungen an gekoppelten Modellgleichungen durchführen zu können.

Photoionisation und doppelt angeregte Zustände in Wasserstoff- und Deuterium-Molekülen (2006)

Tilo Havermeier

In dieser Arbeit wurden ionisierende Prozesse inWasserstoff- und Deuterium-Molekülen untersucht. Das Ziel war es dabei insbesondere, doppelt angeregte Zustände näher zu betrachten, d.h. Prozesse, bei denen mit einem UV-Photon beide Elektronen des H2 angeregt werden. Das Molekül zerfällt dann schließlich in ein angeregtes Atom sowie ein Proton und ein Elektron. Diese Doppelanregung konnte in den Messdaten identifiziert werden. Durch die Art der Messung war es möglich, einen umfassenden Überblick über den Photonenenergiebereich von 29 bis 60 eV zu erhalten (siehe Abb. 4.4). Somit konnte die Dynamik verschiedener Prozesse mit sich ändernder Photonenenergie analysiert werden. Es konnte die Einfach-Ionisation vom Einsetzen bis hin zur Doppel-Ionisation beobachtet werden. Zwischen 29 und 38 eV traten dabei Anregungen auf das Q1- und Q2-Band auf. Insbesondere für einen KER<2 eV konnten interessante Strukturen aufgelöst werden, die bei bisherigen Experimenten nur eindimensional, d.h. ohne die Varianz der Photonenenergie, betrachtet werden konnten. Eine Gegenüberstellung der beiden Isotope H2 und D2 zeigte zahlreiche Unterschiede bei der Autoionisation auf. Für den Bereich des KER, der einer Anregung auf das Q2-Band entspricht, konnten außerdem Winkelverteilungen erstellt werden und mit Verteilungen verglichen werden, die aus der direkten Besetzung des (2p sigma u) Zustands resultieren. Dabei wurde für beide Isotope eine Asymmetrie beobachtet. Für höhere Photonenenergien lagen schließlich die Endzustände zu dicht beieinander, um aufgelöst zu werden. Doppelanregungen auf das Q3- und Q4-Band konnten daher hier nicht explizit beobachtet werden. Für künftige Messungen wäre es sicher interessant, das Q1-Band mit einem speziell darauf abgestimmten Spektrometer im entsprechenden Energiebereich genauer zu studieren. So könnten die energetischen Strukturen dieser niederenergetischen Protonen besser aufgelöst und somit der Kontrast zur Besetzung des 1s sigma g Zustands erhöht werden. Außerdem wäre es von Interesse auch Photonenenergien unterhalb von 29 eV zu betrachten, was jedoch an Beamline 9.3.2 der ALS nicht möglich war. Ebenso wäre natürlich der höhere Photonenfluss einer Undulator-Beamline wünschenswert, um eine bessere Statistik zu erhalten. Hier konnte gezeigt werden, dass im Energiebereich, in welchem Anregungen auf das Q3- und Q4-Band möglich sind, nur Intensitäten in höheren Endzuständen (n >=2) auftreten. Um eventuelle Strukturen in diesem Bereich zu studieren ist ein jedoch ein höher auflösendes Spektrometer notwendig. Dies könnte z.B. durch größere MCP realisiert werden.

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