Refine
Year of publication
Document Type
- Doctoral Thesis (10)
- Bachelor Thesis (6)
- Diploma Thesis (1)
- diplomthesis (1)
- Master's Thesis (1)
Has Fulltext
- yes (19)
Is part of the Bibliography
- no (19)
Keywords
- Boltzmann equation (1)
- CJT formalism (1)
- CJT-Formalismus (1)
- Chirale Symmetrie (1)
- Chiralität, Elementarteilchenphysik (1)
- Color superconductivity (1)
- Farbsupraleitung (1)
- Functional Renormalization Group (1)
- Hydrodynamic (1)
- Kernmaterie (1)
Institute
Chapter 1 contains the general background of our work. We briefly discuss important aspects of quantum chromodynamics (QCD) and introduce the concept of the chiral condensate as an order parameter for the chiral phase transition. Our focus is on the concept of universality and the arguments why the O(4) model should fall into the same universality class as the effective Lagrangian for the order parameter of (massless) two-flavor QCD. Chapter 2 pedagogically explains the CJT formalism and is concerned with the WKB method. In chapter 3 the CJT formalism is then applied to a simple Z(2) symmetric toy model featuring a one-minimum classical potential. As for all other models we are concerned with in this thesis, we study the behavior at nonzero temperature. This is done in 1+3 dimensions as well as in 1+0 dimensions. In the latter case we are able to compare the effective potential at its global minimum (which is minus the pressure) with our result from the WKB approximation. In chapter 4 this program is also carried out for the toy model with a double-well classical potential, which allows for spontaneous symmetry breaking and tunneling. Our major interest however is in the O(2) model with the fields treated as polar coordinates. This model can be regarded as the first step towards the O(4) model in four-dimensional polar coordinates. Although in principle independent, all subjects discussed in this thesis are directly related to questions arising from the investigation of this particular model. In chapter 5 we start from the generating functional in cartesian coordinates and carry out the transition to polar coordinates. Then we are concerned with the question under which circumstances it is allowed to use the same Feynman rules in polar coordinates as in cartesian coordinates. This question turns out to be non-trivial. On the basis of the common Feynman rules we apply the CJT formalism in chapter 6 to the polar O(2) model. The case of 1+0 dimensions was intended to be a toy model on the basis of which one could more easily explore the transition to polar coordinates. However, it turns out that we are faced with an additional complication in this case, the infrared divergence of thermal integrals. This problem requires special attention and motivates the explicit study of a massless field under topological constraints in chapter 8. In chapter 7 we investigate the cartesian O(2) model in 1+0 dimensions. We compare the effective potential at its global minimum calculated in the CJT formalism and via the WKB approximation. Appendix B reviews the derivation of standard thermal integrals in 1+0 and 1+3 dimensions and constitutes the basis for our CJT calculations and the discussion of infrared divergences. In chapter 9 we discuss the so-called path integral collapse and propose a solution of this problem. In chapter 10 we present our conclusions and an outlook. Since we were interested in organizing our work as pedagogical as possible within the narrow scope of a diploma thesis, we decided to make extensive use of appendices. Appendices A-H are intended for students who are not familiar with several important concepts we are concerned with. We will refer to them explicitly to establish the connection between our work and the general context in which it is settled.
This thesis deals with the simulation, optimization and realization of quasi-optical scanning systems for active THz cameras. Active THz cameras are sensitive in the THz regime of the electromagnetic spectrum and are suitable for the detection of metal objects such as weapons behind clothing or fabrics (maybe for security applications) or material investigation. An advantage of active THz-systems is the possibility to measure the phase of the THz-radiation and thus to reconstruct the surface topography of the objects under test. Due to the coherent illumination and the required system parameters (like image field size, working distance and lateral resolution) the optical systems (in the THz region often called quasi-optical systems) must be optimized. Specifically, the active illumination systems require highly optimized quasioptical systems to achieve a good image quality. Since currently no suitable multi-pixel detectors are available, the object has to be scanned in one or two dimensions in order to cover a full field of view. This further reinforces the occurring aberrations. The dissertation covers, alongside the underlying theory, the simulation, optimisation and realisation of three different active THz systems. The subdivision of the chapters is as follows: Chapter 1 deals with a motivation. Chapter 2 develops the underlying theory and it is demonstrated that the geometrical optics is an adequate and powerful description of the image field optimization. It also addresses the developed analytic on-axis and the off-axis image field optimization routine. Chapter 3, 4 and 5 are about the basis of various active THz cameras, each presented a major system aspect. Chapter 3 shows how active THz-cameras with very high system dynamics range can be realised. Within this chapter it could although be demonstrated how very high depth resolution can be achieved due to the coherent and active illumination and how high refresh rate can be implemented. Chapter 4 shows how absolute distance data of the objects under test can be obtained. Therefore it is possible to reconstruct the entire object topography up to a fraction of the wavelength. Chapter 5 shows how off-axis quasi-optical systems must be optimized. It is also shown how the illumination geometry of the active THz systems must be changed to allow for real-time frame rates. The developed widened multi-directional lighting approach also fixes the still existing problem of phase ambiguity of the single phase measurement. Within this chapter, the world’s first active real-time camera with very high frame rates around 10 Hz is presented. This could be only realized with the highly optimised quasioptical system and the multi-directional lighting approach. The paper concludes with a summary and an outlook for future work. Within the outlook some results regarding the simulation of synthetic aperture radar systems and metamaterials are shown.
Ein zentraler Bestandteil der Teilchenphysik ist die Berechnung der Zerfallsbreiten bzw. Lebensdauern von Teilchen. Die meisten bekannten Teilchen sind instabil und zerfallen in zwei oder mehr leichtere Teilchen. Die Formel für die Berechnung einer Zerfallsbreite enthält zwei verschiedene Komponenten: Die kinematischen Faktoren, die lediglich vom Anfangs- und Endzustand abhängen und aus der Energie- und Impulserhaltung folgen, und die dynamischen Faktoren, die sich aus der Art der Wechselwirkung und eventuellen Zwischenstufen ergeben. Gibt es mehrere Zerfallskanäle, die zu den gleichen Endzuständen führen, so unterscheiden diese sich nur in den dynamischen Faktoren. Aus diesem Grunde werden kinematische und dynamische Faktoren getrennt, da nur letztere für die Analyse der Wechselwirkung relevant sind.
Die kinematischen Faktoren von Zwei- und Dreikörperzerfällen haben einen fundamentalen Unterschied: Beim Zweikörperzerfall ist durch die Erhaltungssätze die Verteilung der Energien der Produktteilchen komplett festgelegt, während sie bei einem Dreikörperzerfall innerhalb bestimmter Grenzen variieren kann.
Ein Dreikörperzerfall kann auf zwei verschiedeneWeisen auftreten: Bei einem direkten Zerfall entstehen gleichzeitig alle drei Endprodukte. Bei einem indirekten Zerfall zerfällt das Startteilchen zuerst in zwei Teilchen, von denen eines stabil ist und das andere erneut zerfällt. Im Falle des indirekten Zerfalls haben die resultierenden Teilchen eine andere Impulsverteilung als bei einem direkten Zerfall, woraus sich Informationen über den Zwischenzustand gewinnen lassen.
Im ersten Kapitel dieser Arbeit widmen wir uns der expliziten Berechnung der Zerfallsbreite für die verschiedenen Fälle. Wir beschränken uns hier und in allen weiteren Rechnungen auf skalare und pseudoskalare Teilchen, bei denen keine Spineffekte auftreten.
Die Zerfallsbreite eines Dreikörperzerfalls lässt sich in einer besonders praktischen Form, dem sogenannten Dalitz-Plot, darstellen. Hierbei sind alle kinematischen Faktoren konstant und eine Darstellung der Zerfallsbreite in Abhängigkeit der entsprechenden Variablen lässt direkten Aufschluss über die Art der Wechselwirkung zu. Die Form eines Dalitz-Plots sowie dessen Interpretation ist Gegenstand des zweiten Kapitels.
Im dritten Kapitel beschäftigen wir uns kurz mit der Frage, welche Auswirkungen Prozesse höherer Ordnung auf den gesamten Zerfall haben. Hierbei beschränken wir uns auf die Betrachtung von Loopbeiträgen des Zwischenzustandes eines indirekten Zerfalls.
Im letzten Kapitel werden wir die theoretischen Betrachtungen am Zerfall eines pseudoskalaren Glueballs anwenden. Ein Glueball ist ein gebundener Zustand aus Gluonen, den Austauschteilchen der starken Wechselwirkung. Da die Gluonen aufgrund der nichtabelschen Struktur der Farbsymmetriegruppe selbst Farbladung tragen, ist es theoretisch möglich, Zustände nur aus Gluonen zu konstruieren, die farbneutral sind und damit den Regeln des Confinements entsprechen. Im Falle der betrachteten Glueballs tritt ein weiterer interessanter Effekt auf: Da es mehrere Zerfallskanäle gibt, die zum gleichen Endzustand führen, treten Interferenzeffekte auf, deren Auswirkung auf das Gesamtergebnis näher untersucht wird.
In this thesis we explore the characteristics of strongly interacting matter, described by Quantum Chromodynamics (QCD). In particular, we investigate the properties of QCD at extreme densities, a region yet to be explored by first principle methods. We base the study on lattice gauge theory with Wilson fermions in the strong coupling, heavy quark regime. We expand the lattice action around this limit, and carry out analytic integrals over the gauge links to obtain an effective, dimensionally reduced, theory of Polyakov loop interactions.
The 3D effective theory suffers only from a mild sign problem, and we briefly outline how it can be simulated using either Monte Carlo techniques with reweighting, or the Complex Langevin flow. We then continue to the main topic of the thesis, namely the analytic treatment of the effective theory. We introduce the linked cluster expansion, a method ideal for studying thermodynamic expansions. The complex nature of the effective theory action requires the development of a generalisation of the linked cluster expansion. We find a mapping between generalised linked cluster expansion and our effective theory, and use this to compute the thermodynamic quantities.
Lastly, various resummation techniques are explored, and a chain resummation is implemented on the level of the effective theory itself. The resummed effective theory describes not only nearest neighbour, next to nearest neighbour, and so on, interactions, but couplings at all distances, making it well suited for describing macroscopic effects. We compute the equation of state for cold and dense heavy QCD, and find a correspondence with that of non-relativistic free fermions, indicating a shift of the dynamics in the continuum.
We conclude this thesis by presenting two possible extensions to new physics using the techniques outlined within. First is the application of the effective theory in the large-$N_c$ limit, of particular interest to the study of conformal field theory. Second is the computation of analytic Yang Lee zeros, which can be applied in the search for real phase transitions.
Phänomenologie der Pseudovektormesonen und Mischung mit Axialvektormesonen im kaonischen Sektor
(2012)
Ziel dieser Bachelorarbeit war die Vorstellung und die Untersuchung eines effektiven, mesonischen Drei-Flavor-Modells der Quantenchromodynamik und dessen Phänomenologie. Dazu wurden zunächst die Kopplungskonstanten a und b des Modells durch die Berechnung dominanter Zerfallsbreiten der im Modell enthaltenen Axialvektor- und Pseudovektor-Mesonen festgelegt. Dabei wurde für die Festlegung der Kopplungskonstanten a der Zerfall von f1 (1420) in KK*(892) verwendet. Die so berechnete Kopplungskonstante wurde anschließend unter Verwendung des ρπ-Zerfalls von a1 (1260) auf Konsistenz geprüft. Das dadurch erhaltene Resultat von Γa1--> ρπ= (443:962 ± 13:456) MeV liegt sehr gut in dem von der particle data group angegebenen Wertebereich der Gesamtbreite von a1 (1260). Die Festlegung und Berechnung der Kopplungskonstante b des Pseudovektor-Sektors war Gegenstand der Bachelorarbeit von Lisa Olbrich, so dass in dieser Arbeit nur die Resultate dieser Rechnung präsentiert wurden. Jedoch passen die dort erzielten Resultate auch mit guter Genauigkeit zu den experimentell bestimmten Werten der particle data group.
Das zweite Ziel dieser Bachelorarbeit war die Untersuchung der im Modell enthaltenen Mischungseffekte der Kaonen-Felder von K1 (1270) und K1 (1400). Zunächst waren im Axialvektor- und Pseudovektor-Nonet dieses Modells nur unphysikalische Kaonen-Felder K1;A und K1;B enthalten. Durch den Mischungsterm Lmix der Lagrange-Dichte des Modells existieren allerdings Mischterme beider Felder. Diese Mischterme wurden durch die Einführung der physikalischen Felder K1 (1270) und K1 (1400), welche durch eine SU(2)-Drehung aus den unphysikalischen Feldern hervorgehen, zum Verschwinden gebracht. Dies hat allerdings zur Folge, dass die Wechselwirkungsterme der physikalischen Felder K1 (1270) und K1 (1400) nun über eine gedrehte Kopplungskonstante koppeln. Diese gedrehte Kopplungskonstante ist eine Funktion der ursprünglich bestimmten Kopplungskonstanten a; b und eines Mischwinkels Φ. Dieser Mischungswinkel wurde von uns über den K? (892) π-Zerfall von K1 (1270) festgelegt. Anschließend konnten wir unter Verwendung des so berechneten Mischungswinkels Φ die Zerfallsbreite von K1 (1400) berechnen und mit den experimentell festgelegten Daten der particle data group vergleichen. Auch hier konnten wir eine gute Übereinstimmung unserer durch das Modell vorhergesagten Daten mit den experimentell bestimmten Werten erzielen.
Die Arbeit ist in zwei Teile gegliedert. Der erste Teil behandelt einige naturphilosophische und mathematische Probleme. Es wird außerdem das Pfeil-Paradoxon von Zeno vorgestellt, auf dem die moderne Variante des Quanten-Zeno-Paradoxons basiert. Im zweiten Teil wird zunächst eine allgemeine Analyse des Zerfallsgesetzes instabiler Quantensysteme gegeben. Es ist eine Mischung aus Zusammenfassungen von Reviews und neuen Ideen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Wellenfunktion in Energiedarstellung bzw. deren Betragsquadrat, genannt Energiedichte. Es wird auch auf den Fall eingegangen, wenn ein Quantensystem wiederholten (frequenten) Messungen ausgesetzt ist. Anschließend wird der Quanten-Zeno-Effekt und das Quanten-Zeno-Paradoxon als Folge des Verhaltens der Überlebenswahrscheinlichkeit für Zeiten kurz nach der Zustandspräparation beschrieben. Danach wird das Lee-Modell zur Beschreibung eines Teilchenzerfalls vorgestellt. Das Modell beschreibt den Zerfall eines instabilen Teilchens in zwei mögliche Kanäle, d.h. entweder in (genannt) a-Teilchen oder b-Teilchen. Es werden alle wichtigen Funktionen (Zerfallsgesetz, Energiedichte, etc.) analytisch hergeleitet. Es folgen darauf die Ergebnisse der numerischen Auswertung.
Das Ziel dieser Bachelorarbeit war es, einen Überblick über die Größe der, durch Einbeziehung des Loop-Level-Diagrammes entstehenden, Korrekturen zu erhalten. Die Ergebnisse sollen eingrenzen, wann diese Korrekturen wichtig oder sogar dominant sind. Der Einfluss der Korrekturen lässt sich gut mit Hilfe von g0 und g00 einschätzen. So gilt für g0 gerade Γntl = 1.33 Γ, die Korrekturen sind also für die Berechnung wichtig jedoch nicht dominant. Für g00 beginnen die Korrekturen gerade dominant gegenüber den Berechnungen in erster Ordnung zu werden (es gilt hier Γntl = 2 Γ). Wie anhand von Tabelle 7.2 zu sehen werden die Korrekturen, abhängig von der Massenkonfiguration, ab etwa 1.6 − 2.2mS wichtig und ab etwa 2.2 − 3.4mS dominant. Für sehr kleine Massen mΦ liegt diese Grenze natürlich niedriger, es wurde jedoch gezeigt, dass die Korrekturen selbst für mΦ = 10−13mS erst ab etwa 0.65mS dominant sind. Praktisch dürften die Korrekturen daher nur sehr selten, wenn überhaupt für Werte von g < mS, eine nennenswerte Rolle spielen. Welchen Einfluss die Korrekturen bei realen Zerfallskanälen haben, sollte nun anhand der Zerfälle von f0(500), f0(980), f0(1370) und f0(1500) in Pionen gezeigt werden. Zusätzlich wurde für den Zerfall von f0(500) die Berechnung ein weiteres Mal mit endlichem (niedrigen) Cutoff durchgeführt, um dessen Auswirkungen auf die Ergebnisse zu betrachten. Dies ist dann wichtig, wenn die beobachteten Teilchen eine endliche, räumliche Ausdehnung haben (beispielsweise wenn wie hier Hadronenzerfälle betrachtet werden). Für f0(980) und f0(1500) stellen sich die Korrekturen, wie aufgrund der vorherigen Ergebnisse und des sehr kleinen Verhältnisses von Zerfallsbreite und Masse bereits erwartet, mit 1.22% beziehungsweise 0.032% als sehr gering heraus. Für f0(1370) ist das Verhältnis bereits deutlich größer, hier sind die Korrekturen mit 7.43% bereits im hohen einstelligen Prozentbereich und damit für genaue Rechnungen durchaus wichtig. Für f0(500) zeigt sich nun wiederum, dass die Korrekturen sehr groß sind, die Loop-Level-Kopplungskonstanten ist um 24.57% kleiner. Für diesen Zerfalll sollte also bereits bei einer Abschätzung das Loop-Level Diagramm einbezogen werden. Stellt man die Berechnung mit endlichem Cutoff an, so stellt sich heraus, dass sich die exakten Werte zwar durchaus verändern, die Änderungen sind jedoch nicht so groß dass die Ergebnisse drastisch abweichen. Die Kopplungskonstante wird bei dem angenommenen Cutoff Λ = 0.95 GeV um 6.47% größer. In allen Varitionen fallen die Korrekturen kleiner als 33% aus. Als letztes ist die Genauigkeit der hier erhaltenen Ergebnisse zu beurteilen. Theoretisch sollten die numerischen Berechnungen mit beliebiger Genauigkeit durchführbar sein. Bei den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Berechnungen trat jedoch das Problem auf, dass die numerischen Berechnungen des Integrals für Winkel sehr nahe 0° beziehungsweise 180° chaotisch wurden. Die Winkelintegration wurde daher nur von −0.99999 bis 0.99999 durchgeführt. Da das Impulsintegral bei diesen Winkeln etwa von der Größe 0.1 − 2 ist, abhängig von der Massenkonfiguration, entstehen dadurch Fehler der Größenordnung 10−5. Die Ursache für diesen Fehler liegt vermutlich darin begründet, dass sich für diese Winkel jeweils der dritte Pol auf den ersten und der vierte Pol auf den zweiten Pol verschiebt. In diesem Fall entsteht zwar an gleicher Stelle im Zähler eine Nullstelle (schaut man sich P1, P2 und P3 an, so befinden sich an diesen Stellen auch nur einfache Pole), die numerische Berechnung kann dadurch allerdings problematisch werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Genauigkeit von 4 Nachkommastellen allerdings als ausreichend betrachtet. Abschließend lässt sich sagen, dass die Korrekturen in (fast) allen betrachteten Fällen klein sind. In Einzelfällen können sie allerdings durchaus relevante Dimensionen erreichen, wie am f0(500) Zerfall zu sehen ist. In zukünftigen Arbeiten sollte dieses Thema also auch für Wechselwirkungen mit Ableitungen und nicht-skalare Teilchen aufgegriffen werden.
In this work the main emphasis is put on the investigation of relativistic shock waves and Mach cones in hot and dense matter using the microscopic transport model BAMPS, based on the relativistic Boltzmann equation. Using this kinetic approach we study the complete transition from ideal-fluid behavior to free streaming. This includes shock-wave formation in a simplified (1+1)-dimensional setup as well as the investigation of Mach-cone formation induced by supersonic projectiles and/or jets in (2+1)- and (3+1)-dimensional static and expanding systems. We further address the question whether jet-medium interactions inducing Mach cones can contribute to a double-peak structure observed in two-particle correlations in heavy-ion collision experiments. Furthermore, BAMPS is used as a benchmark to compare kinetic theory to several relativistic hydrodynamic theories in order to verify their accuracy and to find their limitations.
For finite baryon chemical potential, conventional lattice descriptions of quantum chromodynamics (QCD) have a sign problem which prevents straightforward simulations based on importance sampling.
In this thesis we investigate heavy dense QCD by representing lattice QCD with Wilson fermions at finite temperature and density in terms of Polyakov loops.
We discuss the derivation of $3$-dimensional effective Polyakov loop theories from lattice QCD based on a combined strong coupling and hopping parameter expansion, which is valid for heavy quarks.
The finite density sign problem is milder in these theories and they are also amenable to analytic evaluations.
The analytic evaluation of Polyakov loop theories via series expansion techniques is illustrated by using them to evaluate the $\SU{3}$ spin model.
We compute the free energy density to $14$th order in the nearest neighbor coupling and find that predictions for the equation of state agree with simulations to $\mathcal{O}(1\%)$ in the phase were the (approximate) $Z(3)$ center symmetry is intact.
The critical end point is also determined but with less accuracy and our results agree with numerical results to $\mathcal{O}(10\%)$.
While the accuracy for the endpoint is limited for the current length of the series, analytic tools provide valuable insight and are more flexible.
Furthermore they can be generalized to Polyakov-loop-theories with $n$-point interactions.
We also take a detailed look at the hopping expansion for the derivation of the effective theory.
The exponentiation of the action is discussed by using a polymer expansion and we also explain how to obtain logarithmic resummations for all contributions, which will be achieved by employing the finite cluster method know from condensed matter physics.
The finite cluster method can also be used to evaluate the effective theory and comparisons of the evaluation of the effective action and a direction evaluation of the partition function are made.
We observe that terms in the evaluation of the effective theory correspond to partial contractions in the application of Wick's theorem for the evaluation of Grassmann-valued integrals.
Potential problems arising from this fact are explored.
Next to next to leading order results from the hopping expansion are used to analyze and compare the onset transition both for baryon and isospin chemical potential.
Lattice QCD with an isospin chemical potential does not have a sign problem and can serve as a valuable cross-check.
Since we are restricted by the relatively short length of our series, we content ourselves with observing some qualitative phenomenological properties arising in the effective theory which are relevant for the onset transition.
Finally, we generalize our results to arbitrary number of colors $N_c$.
We investigate the transition from a hadron gas to baryon condensation and find that for any finite lattice spacing the transition becomes stronger when $N_c$ is increased and to be first order in the limit of infinite $N_c$.
Beyond the onset, the pressure is shown to scale as $p \sim N_c$ through all available orders in the hopping expansion, which is characteristic for a phase termed quarkyonic matter in the literature.
Some care has to be taken when approaching the continuum, as we find that the continuum limit has to be taken before the large $N_c$ limit.
Although we currently are unable to take the limits in this order, our results are stable in the controlled range of lattice spacings when the limits are approached in this order.
