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The theory of strong interactions — Quantum Chromodynamics (QCD) — is well-defined mathematically. However, direct applications of this theory to experiment are rather limited due to significant technical obstacles. Even some general features of QCD remain unclear to date.
Hence, phenomenological input is important and needed for practical applications, e.g. for theoretical analysis of the heavy-ion collision experiments. In this thesis the role of hadronic interactions is studied in the hadron resonance gas (HRG) model — a popular model for the confined phase of QCD. The description of hadronic interactions is based on the famous van der Waals (VDW) equation and its quantum statistical generalization. While this is not the conventional choice for nuclear/hadronic physicspplications, the simplicity of the VDW approach makes it extremely useful.
In particular, this framework allows to include the two most basic ingredients of hadron-hadron interaction: the short-range repulsion, modeled by excluded-volume (EV) corrections, and the intermediate range attraction. The first part of the thesis considers just the repulsive EV interactions between hadrons. A hitherto unknown, but surprisingly strong sensitivity of the long known thermal fits to heavy-ion hadron yield data to the choice of hadron eigenvolumes is uncovered. It challenges the robustness of the chemical freeze-out temperature and baryochemical potential determination from the thermal fits. However, at the same time, the extracted value of the entropy per baryon is found to be a robust observable which depends weakly on this systematic uncertainty of the HRG model.
A Monte Carlo procedure to treat EV interactions in HRG is also introduced in this thesis. It allows to study simultaneous effects of EV and of exact charge conservation in HRG for the first time. Generalizations of the classical VDW equation are required for its applications in hadronic physics. he grand canonical ensemble (GCE) formulation of the classical VDW equation is presented. Remarkably, this important aspect of the VDW equation was not discovered before. The GCE formulation yields the analytic structure of the critical fluctuations, both in the vicinity of and far off the critical point. These critical fluctuations are presently actively being used as probes for the QCD critical point. Another extension is the hitherto undiscovered generalization of the VDW equation to include quantum Bose-Einstein and Fermi-Dirac statistics. It is performed for both single-component and multi-component fluids. The Fermi-Dirac VDW equation is applied for the first time. It is used to describe nucleons and basic properties of nuclear matter. The quantum statistical generalization of the VDW equation developed in this work is quite general, and can be applied for any fluid. Thus, its applications are not restricted to QCD physics, but may also find themselves in chemistry and/or industry. The quantum statistical VDW equation is used to describe baryonic interactions in full HRG. The VDW parameters $a$ and $b$ are fixed to the nuclear ground state and the predictions of the model are confronted with lattice QCD calculations. The inclusion of baryonic interactions leads to a qualitatively different behavior of the fluctuations of conserved charges in the crossover region. In many cases it resembles the lattice data. These results suggest that hadrons do not melt quickly with increasing temperature, as one could conclude on the basis of the common simple ideal HRG model. Calculations at finite chemical potentials show that the nuclear liquid-gas transition manifests itself by non-trivial fluctuations of the net baryon number in heavy ion collisions. In the final part of the thesis the pure glue initial scenario for high-energy hadron and heavy-ion collisions is explored. This scenario is shown not to spoil the existing agreement of the hadronic and electromagnetic observables description in Pb+Pb collisions at energies available at the CERN Large Hadron Collider. Hydrodynamic calculations suggest that collisions of small-sized nuclei at lower collision energies available at the BNL Relativistic Heavy Ion Collider are promising in the search for the traces of the chemically non-equilibrium gluon-dominated phase transition.
Im Weltall existieren hunderte sehr helle Objekte, die eine hohe konstante Leuchtkraft im Wellenlängenbereich von Gammastrahlung besitzen. Die konstante Leuchtkraft mancher dieser Objekte wird in regelmäßigen Abständen von starken Ausbrüchen, den sogenannten X-Ray-Bursts, unterbrochen. Hauptenergiequelle dieser X-RayBursts ist der „rapid-proton-capture“-Prozess (rp-Prozess). Dieser zeichnet sich durch eine Abfolge von (p,γ)-Reaktionen und β+-Zerfällen aus, die die charakteristischen Lichtkurven produzieren. Für viele am Prozess beteiligte Reaktionen ist der Q-Wert sehr klein, wodurch die Rate der einzelnen Reaktionen von den resonanten Einfängen in die ungebundenen Zustände dominiert wird. Die Unsicherheiten in der Beschreibung der Lichtkurve sind derzeit aufgrund fehlender kernphysikalischer Informationen von vielen am Prozess beteiligten Isotopen sehr groß. Sensitivitätsstudien zeigen, dass dabei die Unsicherheiten der 23Al(p,γ)24Si-Reaktion eine der größten Auswirkungen auf die Lichtkurve hat. Diese werden durch ungenaue und widersprüchliche Informationen zu den ungebundenen Zuständen im kurzlebigen 24Si hervorgerufen.
Um Informationen über die Kernstruktur von 24Si zu erhalten, wurde am National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL), Michigan, USA, die 23Al(d,n)24Si Transferreaktion untersucht. Der in dieser Form erstmals umgesetzte Versuchsaufbau bestand aus einem Gammadetektor zur Messung der Übergangsenergien des produzierten 24Si, einem Neutronendetektor zur Messung der Winkelverteilung der emittierten Neutronen und einem Massensprektrometer zur Identifikation des produzierten Isotops. Mit diesem Aufbau, der eine Detektion der kompletten Kinematik der (d,nγ)-Reaktion ermöglichte, konnten folgende Erkentnisse gewonnen werden:
Aus der Energie der nachgewiesenen Gammas konnten die Übergänge zwischen den Kernniveaus von 24Si bestimmt und daraus die Energien der einzelnen Zustände ermittelt werden. Dabei konnte neben dem bereits bekannten gebundenen 2+-Zustand (in dieser Arbeit gemessen bei 1874 ± 2,9keV) und dem ungebundenen 2+-Zustand (3448,8 ± 4,6keV), erstmals ein weiterer ungebundener (4+,0+)-Zustand bei 3470,6 ± 6,2 keV beobachtet werden. Zusätzlich konnte die Diskrepanz, die bezüglich der Energie des ungebundenen 2+-Zustands aufgrund früherer Messungen bestand, beseitigt und die Energieunsicherheit reduziert werden.
Aus der Anzahl der nachgewiesenen Gammas konnten ebenfalls die (d,n)-Wirkungsquerschnitte in die einzelnen Zustände von 24Si bestimmt werden. Unter Verwendung der Ergebnisse von DWBA-Rechnungen konnte mithilfe dieser die spektroskopischen Faktoren berechnet werden. Für die angeregten Zustände musste dabei zwischen verschiedenen Drehimpulsüberträgen unterschieden werden. Mittels der Winkelverteilung der nachgewiesenen Neutronen konnte gezeigt werden, dass die Gewichtung anhand der theoretischen spektroskopischen Faktoren zur Berechnung der Anteile des jeweiligen Drehimpulsübertrags am gesamten Wirkungsquerschnitt für den entsprechenden Zustand gute Ergebnisse liefert. Für eine quantitative Bestimmung der spektroskopischen Faktoren der Zustände anhand der Neutronenwinkelverteilungen in 24Si war allerdings die Statistik zu gering. Für den Fall der deutlich häufiger beobachteten 22Mg(d,n)23Al-Reaktion konnte hingegen ein spektroskopischer Faktor für den 23Al-Grundzustand von 0,29 ± 0,04 bestimmt werden. Abschließend wurden die Auswirkungen der gewonnenen Erkenntnisse zur Kernstruktur von 24Si auf die Rate der 23Al(p,γ)-Reaktion untersucht. Dabei konnte aufgrund der besseren Energiebestimmung zum einen die Diskrepanz zwischen den Raten die auf Grundlage der beiden früheren Untersuchungen berechnet wurden und bis zu einem Faktor von 20 voneinander abweichen, beseitigt werden. Zum anderen konnte aufgrund der kleineren Unsicherheit in der Energiebestimmung der Fehlerbereich der Rate verkleinert werden. Die Untersuchungen zeigen, dass die Unsicherheit in der neuen Rate von der Ungenauigkeit der Massenbestimmung der beiden beteiligten Isotope und damit dem Q-Wert der Reaktion dominiert wird. Durch eine bessere Bestimmung des Q-Werts könnte die Unsicherheit in der Rate aufgrund der neuen experimentellen Ergebnisse auf ein Zehntel gesenkt werden.
Zur effizienten Beschleunigung von Ionen wird meist nach deren Erzeugung in einer Ionenquelle ein Radio Frequenz Quadrupol verwendet. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit Entwicklung, Bau und Messung des Prototyps eines neuartigen Leiter-RFQs, der bei 325 MHz betrieben wird. Der Leiter-RFQ verfügt über ein neuartiges mechanisches Design und versucht die Vorteile der beiden vorrangig im Betrieb befindlichen RFQ Typen, des 4-Rod und 4-Vane RFQs, zu verbinden. Die physikalischen Parameter sind der Spezifikation des RFQs für den geplanten Protonenlinac (p-Linac) am FAIR-Projekt an der GSI Darmstadt entnommen. Darüber hinaus wird der aktuelle Planungs- und Simulationsstand eines modulierten Prototyps mit der vollen Länge von ca. 3,5 m zur Durchführung von Strahltests dargestellt.
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.
Im Rahmen dieser Arbeit wird darauf eingegangen, welche Anpassungen erforderlich sind, um Protonendichten vergleichbar zu bereits erzeugten Elektronendichten in Gabor-Linsen zu erhalten. Zur Vorbereitung zukünftiger Experimente werden vergleichende Simulationen zum Einschluss der Ladungsträgerdichten durchgeführt und die Strahldynamik bei der Wechselwirkung eines positiven Ionenstrahls mit einem in einer Gabor-Linse eingeschlossenen Protonenplasma untersucht. Die Ergebnisse der Strahldynamiksimulationen werden mit theoretischen Berechnungen vertieft, in dem die Brennweite einer Gabor-Linse, die mit einer beliebigen Teilchensorte gefüllt ist, berechnet und die Drift-Masse eingeführt wird.
Eine weitere analytische Betrachtung ist die Erweiterung der Teilchendynamik in der Gabor-Linse auf beliebige Anfangsbedingungen, in dem die dazugehörige Differentialgleichung entkoppelt und ganz allgemein gelöst wird. Die daraus berechneten Trajektorien der Teilchen führen zu einem besseren Verständnis, das weitere Anwendungen erschließen könnte.
The topic of this thesis is the investigation of scalar tetraquark candidates from lattice QCD. It is motivated by a previous study originating in the twisted mass collaboration. The initial tetraquark candidate of choice is the $a_0(980)$, an isovector in the nonet of light scalars ($J^P=0^+$). This channel is still poorly understood. It displays an inverted mass hierarchy to what is expected from the conventional quark model and the $a_0(980)$ and $f_0(980)$ feature a surprising mass degeneracy. For this reasons the $a_0(980)$ is a long assumed tetraquark candidate in the literature.
We follow a methodological approach by studying the sensitivity of the scalar spectrum with fully dynamical quarks to a large basis of two-quark and four-quark creation operators. Ultimately, the candidate has to be identified in the direct vicinity of two two-particles states, which is understandably inevitable for a tetraquark candidate. To succeed in this difficult task two-meson creation operators are essential to employ in this channel. By localized four-quark operators we intend to probe the Hamiltonian on eigenstates with a closely bound four-quark structure.
Development of the timing system for the Bunch-to-Bucket transfer between the FAIR accelerators
(2017)
The FAIR project is aiming at providing high-energy beams of ions of all elements from hydrogen to uranium, antiprotons and rare isotopes with high intensities. The existing accelerator facility of GSI and the future FAIR facility employ a variety of circular accelerators like heavy ion synchrotrons (SIS18 and SIS100) and storage rings (ESR, CRYRING, CR and HESR) for the preparation of secondary beams and experiments. Bunches are required to be transferred into rf buckets among GSI and FAIR ring accelerators for different purposes. Without the proper transfer, the beam will be subject to various beam quality deterioration and even to beam losses. Hence, the proper bunch-to-bucket (B2B) transfer between two rings is of great importance for FAIR and is the topic, which has been investigated in this thesis.
These circular accelerators of GSI and FAIR have different ratios in their circumference. For example, the circumference ratio between SIS100 and SIS18 is an integer and between SIS18 and ESR is close to an integer and between CR and HESR is far away from an integer. The ring accelerators are connected via a complicated system of beam transfer lines, targets for the secondary particle production and the high energy separators mentioned above. For FAIR, not only the primary beams are required to be transferred from one ring to another, but also the secondary beams, e.g. the antiproton or rare isotope beams produced by the antiproton (pbar) target, the fragment separator (FRS) or the superconducting fragment separator (Super-FRS). An important topic for this system of accelerators is the proper transfer of beam between the different circular accelerators. Bunches of one ring must be transferred into buckets of another ring within an upper bound time constraint (e.g. 10 ms for most FAIR use cases) and with an acceptable B2B injection center mismatch +-1 degree for most FAIR use cases). Hence, a flexible FAIR B2B transfer system is required to realize the different complex B2B transfers between the FAIR rings in the future. In the focus of the system development and of this thesis is the transfer from SIS18 to SIS100, which can be tested at GSI on the transfer from SIS18 to ESR and from ESR to CRYRING. The system is based on the existing technical basis at GSI, the low-level radio frequency (LLRF) system and the FAIR control system. It coordinates with the Machine Protection System (MPS), which protects SIS100 and subsequent accelerators and experiments from damage caused by high intensity primary beams in case of malfunctioning. Besides, it indicates the beam status and the actual beam injection time for the beam instrumentation and diagnostics.
The conceptual realization of the FAIR B2B transfer system was introduced in this thesis for the first time. It achieves the most FAIR B2B transfers with a tolerable B2B injection center mismatch (e.g. +-1 degree) and within an upper bound time (e.g. 10 ms). It supports two synchronization methods, the phase shift and frequency beating methods. It is flexible to support the beam transfer between two rings with different ratios in their circumference and several B2B transfers running at the same time, e.g. the B2B transfer from SIS18 to SIS100 and at the same time the B2B transfer from ESR to CRYRING. It is capable to transfer beam of different ion species from one machine cycle to another and to transfer beams between two rings via the FRS, the pbar target and the Super-FRS. It allows various complex bucket filling pattern. In addition, it coordinates with the MPS system, which protects the SIS100 and subsequent accelerators or experiments from beam induced damage.
A list of criteria for the preservation of beam qualities during the rf frequency modulation of the phase shift method was analyzed. As an example the beam reaction on three different rf frequency modulation examples were analyzed for SIS18 beams. According to the beam dynamic analysis, there is a maximum value for the rf frequency modulation. The first derivative of the rf frequency modulation must be continuous and small enough and the second derivative must be small enough.
In addition to the analysis from the viewpoint of beam dynamics, two test setups were built. The first test setup was used to characterize the FAIR timing network – white rabbit network for the B2B transfer. In the second test setup, the firmware of the FAIR B2B transfer system was evaluated, which was running on the soft CPU, LatticeMico32, of the Scalable Control Unit - the FAIR standard Front End Controller. Besides, the boundary conditions of the different trigger scenarios of the SIS18 extraction and SIS100 injection kicker magnets were investigated. Finally, the application of the FAIR B2B transfer system for all FAIR use cases was demonstrated.
The dissertation plays a significant important role for the realization of the FAIR B2B transfer system and the further practical application of the system to all FAIR use cases.
Diese Doktorarbeit widmet sich der Untersuchung von Systemen von Quarks und der Wechselwirkung zwischen ihnen mit Hilfe von Lattice QCD. Aus Quarks zusammengesetzte Objekte heißen Hadronen. Ein bestimmter Typ von Hadronen ist das sogenannten Tetraquark. In Teilchendetektoren wie dem LHCb in der Schweiz oder Belle in Japan wurden in jüngerer Zeit Zustände gefunden, die als Kandidaten für Tetraquarks gelten. Diese Arbeit befasst sich mit der Beschreibung und Untersuchung solcher Tetraquark-Zustände. Die Systeme, um die es in dieser Arbeit hauptsächlich geht, enthalten vier Quarks unterschiedlicher Masse. Zwei Quarks wird im Großteil der Arbeit eine unendlich große Masse zugeordnet. Zwei Quarks haben eine endliche Masse. In dieser statisch-leichten Näherung ist es möglich, das Potential der schweren Quarks in Anwesenheit der leichten Quarks zu bestimmen und zu überprüfen, ob es attraktiv genug dazu ist, einen gebundenen Zustand der vier Quarks zu bilden. Dieses Vorgehen ist als Born-Oppenheimer-Approximation bekannt. Die Observable, die berechnet werden muss, ist also das Vier-Quark-Potential.
Im ersten Teil der Arbeit werden verschiedene Vier-Quark-Potentiale aufgeführt und die zugehörigen Quantenzahlen genannt. Jeder der geeigneten Kanäle wird auf seine Fähigkeit untersucht, einen gebundenen Zustand zu bilden. Eine ausführliche systematische und statistische Analyse liefert den eindeutigen Befund, dass Bindung nur für Isospin I = 0 und nichtstatistsche u- und d-Quarks möglich ist. Im Falle von I = 1 oder nichtstatistschen s- und c-Quarks ist kein gebundener Zustand zu erwarten. Schließlich wird für den Fall der u- und d-Quarks eine Extrapolation zu physikalischen Quarkmassen durchgeführt. Die Bindung wird mit abnehmender Quarkmasse stärker. Am physikalischen Punkt wird eine Bindungsenergie von −90(+43−36) MeV festgestellt. Somit wird für Quantenzahlen I(J^P) = 0(1^+) ein gebundener b̄b̄ud-Zustand postuliert. Im zweiten Teil der Arbeit wird die statisch-leichte Näherung aufgehoben. So kann der Spin der schweren Quarks einbezogen werden. Dies führt unter anderem dazu, dass B- und B* -Mesonen unterscheidbar werden. Ein Nachteil dessen, dass vier Quarks endlicher Masse verwendet werden, ist der, dass es nun nicht mehr möglich ist, das Potential der schweren Quarks in Gegenwart der leichten zu bestimmen. Stattdessen wird aus der Korrelationsfunktion des Vier-Quark-Zustands direkt die Masse bestimmt. Zur Beschreibung der schweren Quarks wird der Ansatz der Nichtrelativistischen QCD (NRQCD) gewählt. Es wird der aus dem ersten Teil bekannte gebundene b̄b̄ud-Zustand mit Quantenzahlen I(J^P) = 0(1^+) weiter untersucht. Wir nehmen an, dass die Quantenzahlen durch ein BB*-Molekül realisiert werden. Wir bestimmen mithilfe des generalisierten Eigenwertproblems (GEP) den Grundzustand. Die Masse des Grundzustands ist ein Hinweis auf die Existenz eines gebundenen Zustands. Insgesamt bekräftigt der Befund das im ersten Teil der Arbeit gefundene Resultat, die Vorhersage eines bisher nicht gemessenen Tetraquark-Zustandes, qualitativ. Im dritten Teil der Arbeit geht es um Vier-Quark-Systeme, die ein schweres Quark und ein schweres Antiquark sowie ein leichteres Quark und ein leichteres Antiquark enthalten. Neben einem gebundenen Vier-Quark-Zustand ist u.a. die Bildung eines Bottomonium-und-Pion-Zustands möglich. Dies macht die theoretische Beschreibung dieses Systems ungleich schwieriger als die Beschreibung des im ersten und zweiten Teil der Arbeit untersuchten Systems. Seine experimentelle Untersuchung hingegen ist weniger aufwändig. So wurden bereits Kandidaten für einen solchen Zustand gemessen: Z_b(10610) und Z_b(10650). Zunächst wird ein Szenario beschrieben, in welcher Reihenfolge die zu den verschiedenen Strukturen gehörenden Potentiale vorliegen. So handelt es sich bei dem Grundzustandspotential des Systems um das Potential eines unangeregten Bottomonium-Zustands mit einem Pion in Ruhe. Darüber liegen zahlreiche Bottomonium-Zustände mit Pionen mit endlichem Impuls. Inmitten dieser Potentiale liegt gegebenenfalls das gesuchte Tetraquark-Potential. Ziel ist, einen Weg zu finden, die Bottomonium-und-Pion-Potentiale und das Tetraquark-Potential voneinander zu unterscheiden. Im ersten Schritt wird der Bottomonium-und-Pion-Grundzustand mithilfe des GEP aus dem System entfernt. Der erste angeregte Zustand ist im Anschluss daran weitgehend frei von Einflüssen des Grundzustands. Man findet, dass das Potential des ersten angeregten Zustandes attraktiv ist, sodass die Bildung eines Tetraquark-Zustandes nicht ausgeschlossen ist. Um den ersten angeregten Zustand weiter zu untersuchen, wird ein quantenmechanisches Modell verwendet, das die Volumenabhängigkeit des Überlapp eines Testzustands mit den verschiedenen Strukturen beschreibt. Es damit prinzipiell möglich, unter Zuhilfenahme mehrerer Gittervolumina eine Aussage über die Struktur des ersten angeregten Zustands zu treffen.