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Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Entwicklung und Erforschung eines konzeptionell neuartigen Injektionssystems zum Transport von Ionenstrahlen in toroidale Magnetfeldstrukturen. Die Forschungsarbeit ist dabei Teil des Figure-8 Speicherringprojekts (F8SR) des IAP, bei welchem es um die Erforschung der Physik und die Entwicklung eines niederenergetischen, supraleitenden, magnetostatischen Figure-8 Hochstromspeicherrings geht. Dieser neuartige Speicherring ermöglicht aufgrund des Einsatzes von fokussierenden solenoidalen und toroidalen Magnetfeldern das Speichern von Strahlströmen von bis zu einigen Ampere. Diese Arbeit baut auf früheren Forschungsarbeiten zu diesem Themenfeld auf, in welchen die Grundlagen und Ausgangsparameter für die experimentelle Untersuchung der Injektion gelegt und mit dem Aufbau des Injektionsexperiments begonnen wurde.
In dieser Dissertation wird den Fragen nachgegangen, ob ein magnetisches Konzept des Injektionssystems mittels eines „Scaled-Down“-Experiments experimentell umsetzbar ist und ob mit diesem die Injektion von Ionenstrahlen in toroidale Magnetfeldstrukturen realisiert werden kann. Ziel ist es dabei, ein Injektionssystem aufzubauen, durch welches sowohl ein seitlich injizierter Injektionsstrahl, welcher den in den Speicherring zu injizierenden Strahl darstellt, als auch ein gleichzeitig durch die toroidalen Magnetfelder driftender Ringstrahl, welcher den im Speicherring zirkulierenden Strahl darstellt, ohne Verluste transportiert werden können. Das Injektionssystem besteht dabei aus drei normalleitenden Magneten, wobei es sich um zwei baugleiche 30 Grad Toroide sowie einen Solenoid handelt. Die Toroide bilden den Transportkanal für den Ringstrahl, während der Injektionssolenoid senkrecht zwischen den beiden Toroiden endet und den Injektionskanal für den Injektionsstrahl darstellt.
Zunächst wurde das Injektionssystem mittels Strahltransportsimulationen untersucht und aufbauend auf den Ergebnissen die benötigen Vakuumkomponenten sowie der Injektionsmagnet ausgelegt, entwickelt und umgesetzt. Anschließend wurde mit dem fertigstellten Injektionsexperiment der Transport von zwei Ionenstrahlen durch das Injektionssystem experimentell erforscht. Dabei wurden die Strahlpfade mit einem in Entwicklung befindlichen Kameradetektorsystem aus verschiedenen Perspektiven aufgenommen und das Strahlverhalten in Abhängigkeit von unterschiedlichen Parametern phänomenologisch analysiert und diskutiert, mit den Ergebnissen der Simulationen verglichen sowie theoretisch bzgl. der RxB Drift und eines Gedankenmodells eingeordnet. Die technische Umsetzung, Inbetriebnahme und Durchführung verschiedener Vorabexperimente bzgl. weiterer Komponenten des Injektionsexperiments (bspw. Ionenquellen und Filterkanäle) ist ebenfalls Bestandteil dieser Arbeit.
Bei den experimentellen Untersuchungen mit Wasserstoff- und Heliumionenstrahlen konnte beobachtet werden, wie der Injektionsstrahl in den zweiten Toroid driftet und somit erfolgreich injiziert wird. Des Weiteren wurde eine Heliummessung durchgeführt, bei der sowohl der Injektionsstrahl als auch der Ringstrahl erfolgreich durch das Injektionssystem transportiert werden konnten. Auch die Auswirkungen des Injektionsmagneten auf den Ringstrahl konnten experimentell untersucht werden. Die verschiedenen Messungen wurden mittels des Gedankenmodells diskutiert und mit den Ergebnissen der Simulationen sowie untereinander verglichen.
Das abschließende Ergebnis dieser Arbeit ist, dass durch den Einsatz von solenoidalen und toroidalen Magnetfeldern der Injektionsstrahl vom Injektionsmagneten in den zweiten Toroid transportiert und dieser somit in die gekoppelte magnetische Konfiguration der Toroide eingelenkt werden kann. Der gleichzeitige verlustfreie Transport eines Ringstahls durch das Injektionssystem konnte dabei ebenfalls realisiert werden. Des Weiteren stimmen die Ergebnisse der Simulationen und Experimente sowie die theoretischen Überlegungen überein.
Das neuartige Injektionskonzept, welches als Schlüsselkomponente für die Umsetzung des Figure-8 Hochstromspeicherrings benötigt wird, wurde somit mittels Theorie, Simulation und Experiment überprüft und die Funktionalität bestätigt.
Zukünftige Forschungsfragen für welche der Figure-8 Hochstromspeicherring verwendet werden könnte, bspw. aus den Bereichen der experimentellen Astrophysik oder Fusionsforschung, wurden abschließend diskutiert.
Defossiliation of the energy system is crucial in the face of the impending risks of climate change. Electricity generation by burning fossil fuels is being displaced by renewable energy sources like hydro, wind and solar, driven by support schemes and falling costs from technological advances as well as manufacturing scale effects. The unavoidable shift from flexibly dispatchable generation to weather-dependent spatio-temporally varying generators transforms the generation and distribution of electricity into highly interdependent complex systems in multiple dimensions and disciplines:
In time, different scales, stretching from intra-day, diurnal, synoptic to seasonal oscillations of the weather interact with years and decades of planning and construction of capacity. In space, long-range correlations and local variations of weather systems as well as local bottlenecks in transmission networks affect solutions. The investment decisions about technological mix and spatial distribution of capacity follow economic principles, within restrictions which adapt in social feedback loops to public opinion and lobbyist influences.
In this work, a family of self-consistent models is developed which map physical steady-state operation, capacity investments and exogeneous restrictions of a European electricity system, in higher simultaneous spatial and temporal detail as well as scope than has previously been computationally tractable. Increasing the spatial detail of the renewable resources and co-optimizing the expansion of only a few transmission lines, reveals solutions to serve the European electricity demand at about today’s electricity cost with only 5% of its carbon-dioxide emissions; and importantly their electricity mix differs from the findings at low spatial resolution.
As important intermediate steps,
• new algorithms for the convex optimization of electricity system infrastructure are derived from graph-theoretic decompositions of network flows. Only these enable the investigation of model detail beyond previous computational limitations.
• a comprehensive European electricity network model down to individual substations at the transmission voltage levels is built by combining and completing data from freely available sources.
• a network reduction technique is developed to approximate the detailed model at a sequence of spatial resolutions to investigate the role of spatial scale, and identify a level of spatial resolution which captures all relevant detail, but is still computationally tractable.
• a method to trace the flow of power through the network, which is related to a vector diffusion process on a directed flow graph embedded in a network, is used to analyse the resulting technology mix and its interactions with the power network
The open-source nature of the model and restriction to freely available data encourages an accessible and transparent discussion about the future European electricity system, primarily based on renewable wind and solar resources.
In the course of this thesis we discuss a certain kind of supersolid, the lattice-supersolid, which can be realized using quantum gases in an optical lattice trap. The lattice-supersolid, which simultaneously possesses off-diagonal and diagonal long-range order in its density matrix and also breaks the discrete translational symmetry of an underlying lattice, is induced by self-ordering of the gas due to strong long-range van der Waals interactions. In the considered scenario, the interactions are facilitated by the excitation of atomic Rydberg states, which exhibit enhanced van der Waals forces.
In the first part of this thesis (chapters 1-3), we review the relevant basics of quantum gases, Rydberg physics and introduce the extended Bose-Hubbard model. We start with the relevant methods and devices of the vast toolbox available in common quantum gas experiments, as well as consider the main concepts behind superfluidity and supersolidity. This is followed by an introduction of some basic concepts of Rydberg atoms in quantum many-body systems, with a focus on the facilitation of long-range interactions and the implementation in a theoretical model. Thereafter a brief introduction is given, on the realization of the Bose-Hubbard model in optical lattice systems and its extension to include Rydberg states, which concludes the introductory part of this thesis.
In the following part (chapters 4-6), we introduce the theoretical tools used to derive the results presented in the final part. First, an introduction to a real-space extension of bosonic dynamical mean-field theory (RB-DMFT) for bosonic systems with long-range interactions in the Hartree approximation is given. This method is based on the non-perturbative self-consistent evaluation of the lattice Green’s function, which also incorporates the effect of nearest neighbor correlations due to the non-condensed particles. Then we focus on a quasiparticle expansion of the Bose-Hubbard model, which has its foundation in linearized fluctuations of a static mean-field ground-state, allowing for the prediction of a vast range of experimentally relevant observables. Lastly, we introduce an efficient truncation scheme for the local bosonic Fock-basis, which allows for the simulation of phases with high condensate density at a vastly reduced computational effort.
In the final part (chapters 7 and 8), we discuss the application of both methods to itinerant bosonic gases in two-dimensional optical lattices, in order to predict the equilibrium ground-state phases, as well as the signatures of supersolidity and its formation in spectral functions and the dynamic and static structure factor. Specifically, we focus on two limiting cases. Firstly, we consider a two-component gas, as realized by two hyperfine ground states, for example, of rubidium-87, where one component is off-resonantly excited to a Rydberg state, which generates a soft-core shaped interaction potential. Secondly, we discuss the opposing limit, using near-resonant excitations
of Rydberg states, where the interacting component now directly corresponds to the Rydberg state, which interacts via a van der Waals potential. In both cases we discuss the rich variety of supersolid phases, which are found for a wide range of parameters. We also discuss how some of these phases can be realized in experiment.
In the subsequent appendices (A to D) we discuss some methodological details. Most notably, we consider the possible Fock-extension of the Hartree approximation (appendix A), introduced in the RB-DMFT treatment of the extended Bose-Hubbard model.
This thesis presents the first measurement of the proton capture reaction on the isotope 124Xe performed in inverse kinematics. The experiment was carried out in June 2016 at the Experimental Storage Ring (ESR) at the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt, Germany.
124Xe is one of about 35 p-nuclei that cannot be produced via neutron-induced nucleo- synthesis as the vast majority of heavy elements. Its production and destruction provide important information about the nucleosynthesis of the p-nuclei. Measuring the 124Xe(p,g)125Cs reaction also gives strong constraints for its reverse 125Cs(g,p)124Xe reaction.
Fully stripped 124Xe ions repeatedly passed a H2 gas jet target at five different energies between 5.5 MeV/u and 8 MeV/u. An electron cooler compensated for the energy loss in the target and reduced the beam momentum spread. The reaction product 125Cs55+ has a smaller magnetic rigidity than 124Xe54+. Therefore 125Cs55+ was deflected towards smaller radii in the first dipole after the target area and thereby separated from 124Xe54+. It was detected with a position-sensitive Double-Sided Silicon Strip Detector (DSSSD). The novelty of this experiment was the installation of the DSSSD inside the ultra-high vacuum of the storage ring using a newly designed manipulator.
Three High-Purity Germanium X-ray detectors were used to measure the X-rays following the Radiative Electron Capture (REC) events into 124Xe53+. The REC cross sections are well-known and were used to determine the luminosity.
The 124Xe(p,g)125Cs cross sections at ion beam energies between 5.5 MeV/u and 8 MeV/u were determined relatively to the K-REC cross sections and finally compared to the theoretically predicted cross sections. While theoretical predictions of the TENDL database are lower than the measured ones by a factor of up to seven, the NON-SMOKER data are higher by a factor of up to two, except of the cross section at 7 MeV/u, where NON-SMOKER data are slightly lower than the experimental value.
For the first time, a proton capture cross section could be measured in inverse kinematics close to the astrophysically relevant Gamow window. This allows the direct determination of the (p,g) cross section of isotopes with half-lives down to several minutes, which is not possible with any other technique.
In this thesis we work on the theoretical description of relativistic heavy-ion collisions, focussing on electromagnetic probes. We present mainly four topics: electric conductivity and diffusion properties of the hot plasma and hadronic matter, response of the quark-gluon plasma to external magnetic fields, direct photon production in the quark-gluon plasma and a study about initial and final state effects in small systems. The latter topic aims, i.a., at a better understanding of the initial state, which is crucial for electromagnetic probes. In all research areas we make use of the Boltzmann transport equation, whereby the presented methods provide analytical and numerical solutions. We pay particular attention to the construction of complete leading order photon production processes in numerical transport simulations of the quark-gluon plasma.
To begin with, our findings are the complete conserved charge diffusion matrix and electric conductivity. Those properties are important ingredients, e.g., for future simulations of baryon rich collisions. Next, we find that the influence of external magnetic fields to the QGP dynamics is not quantifiable in observables.
We present results for a variety of direct photon observables and we can partly explain experimental data. We emphasize the importance of the chemical composition and non-equilibrium nature of the medium to the direct photon puzzle. Lastly, we observe the interesting dynamic behavior of azimuthal correlations in small systems and identify signatures of the initial state in final observables. This will also be of interest for more precise simulations of electromagnetic probes and allows for various future studies.
The Generalized Uncertainty Principle (GUP) arises from Quantum Gravity thought experiments and contains a minimal lenght. In this thesis I calculate Schwarzschild Black Holes that are modified by the GUP. These Black Holes have the property, that their temperature does not diverge for small masses, although they still posses a curvature singularity. I calculate analytically that in more than 3+1 dimensions the temperature diverges again.
Die vorliegende Arbeit präsentiert die wissenschaftlichen Erkenntnisse, welche im Rahmen dreier verschiedener Messreihen gewonnen wurden. Kernthema ist in allen Fällen die Ionisation von molekularem Wasserstoff mit Photonen.
Im Rahmen der Messung sollte eine 2014 veröffentlichte Vorhersage der theoretischen Physiker Vladislav V. Serov und Anatoli S. Kheifets im Experiment überprüft werden. Ihren Berechnungen zufolge kann ein sich langsam vom Wasserstoff Molekülion entfernendes Photoelektron durch sein elektrisches Feld das Mutterion polarisieren und dafür sorgen, dass beim anschließenden Aufbruch in ein Proton und ein Wasserstoffatom eine asymmetrische Emissionswinkelverteilung zu beobachten ist [SK14]. Diese Vorhersage konnte mit den Ergebnissen der hier vorgestellten Messung zweifelsfrei untermauert werden. Für drei verschiedene Photonenenergien, welche im relevanten Reaktionskanal Photoelektronenenergien von 1, 2 und 3 eV entsprechen, wurden die prognostizierten Symmetrien in den Messdaten herauspräpariert. Es zeigte sich, dass diese sowohl in qualitativer wie auch in quantitativer Hinsicht gut bis sehr gut mit den Vorhersagen übereinstimmen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde erneut die Dissoziationsreaktion, allerdings bei deutlich höheren Photonenenergien, untersucht. Ziel war es, den in Zusammenarbeit mit den Physikern um Fernando Martin gelungenen theoretischen Nachweis der Möglichkeit einer direkten Abbildung von elektronischen Wellenfunktionen auch im Experiment zu vollziehen. Der überwiegende Teil aller Veröffentlichungen im Vorfeld dieser Messung fokussierte sich bei den Untersuchungen der Wellenfunktion entweder auf die rein elektronischen Korrelationen - so zum Beispiel in Experimenten zur Ein-Photon-Doppelionisation, wo Korrelationen zwischen beiden beteiligten Elektronen den Prozess überhaupt erst möglich machen - oder aber auf den Einfluss, welchen das Molekülpotential auf das emittierte Elektron ausübt. Die wenigen Arbeiten, die sich bis heute an einer unmittelbaren Abbildung elektronischer Wellenfunktionen versuchten, gingen meist den im Vergleich zu dieser Arbeit umgekehrten Weg: Man untersuchte hier das Licht höherer Harmonischer, wie sie bei der lasergetriebenen Ionisation und anschließenden Rekombination eines Photoelektrons mit seinem Mutterion entstehen.
In dieser Arbeit wurde ein Ansatz präsentiert, der zwei überaus gängige und verbreitete Messtechniken geschickt kombiniert - Während das Photoelektron direkt nachgewiesen und seine wesentlichen Eigenschaften abgefragt werden, kann der quantenmechanische Zustand des zweiten, gebunden verbleibenden Elektrons über einen koinzident dazu geführten Nachweis des ionischen Reaktionsfragments bestimmt werden. Dieser Vorgang stützt sich wesentlich auf Berechnungen der Gruppe um Fernando Martín, welche eine Quantifizierung der Beiträge einzelner Zustande zum gesamten Wechselwirkungsquerschnitt dieser Reaktion erlauben. Diese unterscheiden sich je nach Energie der Fragmente signifikant, so dass über eine Selektion des untersuchten KER-Intervalls Kenntnis vom elektronischen Zustand des H2 +-Ions nach der Photoemission erlangt werden kann. Die experimentellen Daten unterstützen die Theorie von Martin et al. nicht nur mit verblüffend guter Übereinstimmung, die gemessenen Emissionswinkelverteilungen stehen darüber hinaus auch in sehr gutem Einklang mit ihren theoretisch berechneten Gegenstücken. Die Ergebnisse wurden zwischenzeitlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht [WBM+17].
Die dritte Messreihe innerhalb dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Photodoppelionisation von Wasserstoff. Im Rahmen des selben Experiments wie die weiter vorn beschriebene Dissoziationsmessung bei 400 eV Photonenenergie aufgenommen, belegen die Ergebnisse auf wunderbar anschauliche Art und Weise, dass die Natur in unserer Umgebung voller Prozesse ist, die ursprünglich als rein quantenmechanische Laborkonstrukte angesehen wurden. Es konnte zweifelsfrei gezeigt werden, dass die beiden Elektronen, die bei der Photodoppelionisation freigesetzt werden, als ein Quasiteilchen aufgefasst werden können. Sie befinden sich in einem verschränkten Zweiteilchenzustand, und nur eine koinzidente Messung beider Elektronen vermag es, Interferenzeffekte in ihren Impulsverteilungen sichtbar zu machen - betrachtet man beide hingegen individuell, so treten keinerlei derartige Phänomene auf. Es gelang dabei zudem, eine beispielhafte Übereinstimmung zwischen den gemessenen Daten und einer theoretischen Berechnung der Kollegen um Fernando Martín zu erreichen.
Terahertz (THz) physics are an emerging field of research dealing with electromagnetic radiation in the far-infrared to microwave region. The development of innovative technologies for the generation and detection of THz radiation has only in the recent past led to a tremendous rise of both fundamental research as well as investigation of possible fields of application for THz radiation. The most prominent reason has long been the scarce accessibility of the THz region of the electromagnetic spectrum - commonly loosely located between 0.1 and 30 THz - to broad research, and it was mostly limited to astronomy and high energy physics facilities. Over the recent years, numerous novel concepts on both the source and detector side have been proposed and successfully implemented to overcome this so-called THz gap. New technology has become available and paved the way for wide-spread experimental laboratory work and accompanying theoretical investigations. First application studies have emerged and in some cases even commercial development of the field of THz physics is on the rise. Despite these enormous progresses, a continuing demand for more efficient THz detectors still impels current technological research. Relatively low source powers are often a major limiting factor and the request for new detection concepts, their understanding and implementation, as well as the optimization on a device basis has been and still remains in place. One of these concepts is the use of field-effect transistors (FETs) high above their conventional cut-off frequencies as electronic THz detectors. The concept has been proposed in a number of theoretical publications by M. Dyakonov and M. Shur in the early 1990's, who pioneered to show that under certain boundary conditions, non-linear collective excitations of the charge carrier system of a two-dimensional electron gas (2DEG) by incident THz radiation can exhibit rectifying behaviour - a detection principle, which has become known as plasma wave or plasmonic mixing. Up until this day, the concept has been successfully implemented in many device realizations - most advanced in established silicon CMOS technology - and stands on the edge of becoming commercially available on a large scale. The main direction of the work presented in this thesis was the modeling and experimental characterization of antenna-coupled FETs for THz detection - termed TeraFETs in this and the author's previous works - which have been implemented in different material systems. The materials presented in this thesis are AlGaN/GaN HEMTs and graphene FETs. In a number of scientific collaborations, TeraFETs were designed based on a hydrodynamic transport model, fabricated in the respective materials, and characterized mainly in the lower THz frequency region from 0.2 to 1.2 THz. The theoretical description of the plasma wave mixing mechanism in TeraFETs, as initiated by Dyakonov and Shur, was based on a fluid-dynamic transport model for charge carriers in the transistor channel. The THz radiation induces propagating charge density oscillations (plasma waves) in the 2DEG, which via non-linear self-mixing cause rectification of the incident THz signals. Over the course of this work, it became evident in the on-going detector characterization experiments that this original theoretical model of the detection process widely applied in the respective literature does not suffice to describe some of the experimental findings in TeraFET detection signals. Thorough measurements showed signal contributions, which are identified in this work to be of thermoelectric origin arising from an inherent asymmetric local heating of charge carriers in the devices. Depending on the material, these contributions constituted a mere side effect to plasmonic detection (AlGaN/GaN) or even reached a comparable magnitude (graphene FETs). To include these effects in the detector model, the original reduced fluid-dynamic description was extended to a hydrodynamic transport model. The model yields at the current stage a reasonable qualitative agreement to the measured THz detection signals. This thesis presents the formulation of a hydrodynamic charge carrier transport model and its specific implementation in a circuit simulation tool. A second modeling aspect is that the transport equations cover only the intrinsic plasmonic detection process in the active gated part of the TeraFET's transistor channel. In order to model and simulate the behavior of real devices, extrinsic detector parts such as ungated channel regions, parasitic resistances and capacitances, integrated antenna impedance, and others must be considered. The implemented detector model allows to simulate THz detection in real devices with the above influences included. Besides presentation of the detector model, experimental THz characterization of the fabricated TeraFETs is presented in this work. Careful device design yielded record detection performance for detectors in both investigated materials. The respective results are shown and the experimental observations of the thermoelectric effect in TeraFETs are compared to modeling results. It is the goal of this work to provide a framework for further theoretical and experimental studies of the plasmonic and thermoelectric effect in TeraFETs, which could eventually lead to a new type of THz detectors particularly exploiting the thermoelectric effect to enhance the sensitivity of today's plasmonic TeraFETs.
Zur Unterstützung von Lehrkräften bei der Auswahl eines Sachunterrichtsschulbuchs im Hinblick auf die didaktische Aufbereitung physikalischer Themen wurde ein bereits bestehendes und in der Schweiz eingesetztes Schulbuchraster weiterentwickelt. Die ergänzenden Bewertungskriterien berücksichtigen, inwieweit die Schulbücher physikalische Inhalte in einer Weise präsentieren, dass a) häufige Präkonzepte der Schülerinnen und Schüler aufgegriffen, b) Inhalte strukturiert dargestellt werden, c) multiple externe Repräsentationen zum Einsatz kommen, d) Selbsterklärungen angeregt wie auch e) offene Schülerexperimente angeboten werden. Zudem sollten f) für die Lehrkräfte Zusatzmaterialen mit fachwissenschaftlichen und fachdidaktischen Erläuterungen zur Verfügungen stehen. Ergänzende Erläuterungen der Rasterkriterien sollen eine möglichst objektive Beurteilung unterstützen. Anhand dieses weiterentwickelten Rasters wurden exemplarisch die 2017 in Hessen zugelassenen Sachunterrichtsschulbücher analysiert.
Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschreibt nach aktuellem Kenntnisstand die Entstehung, den Aufbau und das Verhalten der Materie in unserem Universum am erfolgreichsten. Dennoch gibt es einige Phänomene, die sich nicht in dessen Rahmen beschreiben lassen, wie z. B. die Existenz von dunkler Materie und Energie, nicht-verschwindende Neutrinomassen oder die Baryonenasymmetrie. Speziell im Hinblick auf die starke Wechselwirkung, welche im Standardmodell durch die Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben wird, gibt es noch immer viele offene Fragen.
Eine Umgebung, in der man die QCD experimentell ergründen kann, bieten vor allem Schwerionenkollisionen, die insbesondere am Large Hadron Collider (LHC) oder am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) durchgeführt werden.
In dieser Arbeit soll ein Beitrag von theoretischer Seite aus hinsichtlich eines besseren Verständnisses dieser Schwerionenkollisionen und der zugrundeliegenden QCD erbracht werden. Der Fokus liegt dabei auf dem Isotropisierungsprozess unmittelbar nach der Kollision der beiden Kerne.
Neben etlichen effektiven Theorien, die sehr gute Ergebnisse in den entsprechenden Grenzbereichen liefern, ist die Beschreibung der QCD im Rahmen der Gittereichtheorie (Gitter-QCD) die am meisten etablierte. Diese beinhaltet in den meisten Fällen einen Übergang zur euklidischen Raumzeit, da somit ein Auswerten der hochdimensionalen Pfadintegrale mithilfe von Monte-Carlo-Simulation basierend auf dem sogenannten Importance Sampling ermöglicht wird. Aufgrund der Komplexwertigkeit der euklidischen Zeitkomponente ist man jedoch an das Studieren von statischen Observablen gebunden. Da wir aber gerade an einer Zeitentwicklung des Systems interessiert sind, sehen wir von dem Übergang zur euklidischen Raumzeit ab, was den Namen “real-time” im Titel der Arbeit erklärt.
Wir folgen dem sogenannten Hamilton-Ansatz und leiten damit Feldgleichungen in Form von partiellen Differentialgleichungen her, die wir dann mit den Methoden der Gitter-QCD numerisch lösen. Dabei bedienen wir uns der effektive Theorie des Farb-Glas-Kondensats (CGC, aus dem Englischen: “Color Glass Condensate”), um geeignete Anfangsbedingungen zu erhalten. Genauer gesagt basieren unsere Gitter-Anfangsbedingungen auf dem McLerran-Venugopalan-Modell (MV-Modell), das eine klassische Approximation in niedrigster Ordnung darstellt und nur Beiträge rein gluonischer Felder berücksichtigt.
Die klassische Näherung sowie das Vernachlässigen der fermionischen Felder wird insbesondere mit den hohen Besetzungszahlen der Feldmoden begründet. Einerseits dominieren Infrarot-Effekte, welche klassischer Natur sind, und andererseits ist dadurch der Einfluss der Fermionen, die dem Pauli-Prinzip gehorchen, unterdrückt. Gerade bei letzterer Aussage fehlt es jedoch an numerischen Belegen. Wir erweitern daher die klassische MV-Beschreibung durch stochastische Gitter-Fermionen, um diesem Punkt nachzugehen. Da sich Fermionen nicht klassisch beschreiben lassen, spricht man hierbei oft von einem semi-klassischen Ansatz.
Eines der Hauptziele dieser Arbeit liegt darin, den Isotropisierungsprozess, der bislang noch viele Fragen aufwirft, aber unter anderem Voraussetzung für das Anwenden von hydrodynamischen Modellen ist, zu studieren. Wir legen dabei einen besonderen Fokus auf die systematische Untersuchung der verschiedenen Parameter, die durch die CGC-Anfangsbedingungen in unsere Beschreibung einfließen, und deren Auswirkungen auf etwa die Gesamtenergiedichte des Systems oder die zugehörigen Isotropisierungszeiten. Währenddessen überprüfen wir zudem den Einfluss von unphysikalischen Gitter-Artefakten und präsentieren eine eichinvariante Methode zur Analyse der Güte unserer klassischen Näherung. Die Zeitentwicklung des Systems betrachten wir dabei sowohl in einer statischen Box als auch in einem expandierenden Medium, wobei Letzteres durch sogenannte comoving Koordinaten beschrieben wird. Zudem liefern wir einen Vergleich von der realistischen SU(3)-Eichgruppe und der rechentechnisch ökonomischeren SU(2)-Eichgruppe.
Mit unseren numerischen Ergebnissen zeigen wir, dass das System hochempfindlich auf die verschiedenen Modellparameter reagiert, was das Treffen quantitativer Aussagen in dieser Formulierung deutlich erschwert, insbesondere da einige dieser Parameter rein technischer Natur sind und somit keine zugehörigen physikalisch motivierten Größen, die den Definitionsbereich einschränken könnten, vorhanden sind. Es ist jedoch möglich, die Anzahl der freien Parameter zu reduzieren, indem man ihren Einfluss auf die Gesamtenergie des Systems analysiert und sich diesen zunutze macht. Dadurch gelingt es uns mithilfe von Konturdiagrammen einige Abhängigkeiten zu definieren und somit die Unbestimmtheit des Systems einzuschränken. Des Weiteren finden wir dynamisch generierte Filamentierungen in der Ortsdarstellung der Energiedichte, die ein starkes Indiz für die Präsenz von sogenannten chromo-Weibel-Instabilitäten sind. Unsere Studie des fermionischen Einflusses auf den Isotropisierungsprozess des CGC-Systems weist auf, dass dieser bei kleiner Kopplung vernachlässigbar ist. Bei hinreichend großen Werten für die Kopplungskonstante sehen wir allerdings einen starken Effekt hinsichtlich der Isotropisierungszeiten, was ein bemerkenswertes Resultat ist.
Particle physics is living it’s golden age: petabytes of high precision data are being recorded at experimental facilities such as the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) and the Large Hadron Collider (LHC). Despite the significant theoretical progress achieved in the last years the complete understanding of the internal structure of protons, not computable with perturbative QCD, remains as one of the most challenging unsolved problems in the physics of elementary interactions. Besides its fundamental interest, pinning down the relevant degrees of freedom and their properties, such as their spatial distribution, has profound implications in several phenomenological aspects of high-energy collisions. Currently one of the subjects undergoing intense study is the possibility that droplets of quark-gluon plasma (QGP) are being created not only in heavy ion collisions but in more dilute systems such as high-multiplicity proton-proton interactions. This is a data driven debate as it is rooted in the similar patterns observed across the different collision systems at the LHC (p+p,p+Pb and Pb+Pb) in the flow harmonic analyses: one of the golden probes of QGP formation specially sensitive to the initial collision geometry. Another domain in which the proton structure plays a central role is the description of multi-parton interactions, the mechanism that dominates the underlying event at LHC energies, in Monte Carlo event generators. All in all a precise characterization of the hadronic structure is a crucial ingredient of the physics program of the LHC.
A full characterization of a hadron would require momentum, spatial and spin information, the so-called Wigner distribution. So far obtaining this information experimentally has not been achieved. From a theoretical point of view several complications arise such as non-universality and breaking of factorization theorems. Then, in general, the description of the hadron structure relies on phenomenological tools that require theoretical modeling constrained by experimental data. The main goal of this thesis to characterize the transverse structure of the proton. For that purpose, a wide variety of phenomenological problems that are sensitive to the proton structure have been addressed.
First, elastic scattering data on proton-proton interactions constitutes a powerful probe of the geometry of the collision. A dedicated analysis of this observable focusing on the extraction of the inelasticity density from it at √s=62.5 GeV and √s=7 TeV is presented. In the TeV regime, a unexpected phenomenon, dubbed the hollowness effect, arises: the inelasticity density, a measurement of how effective is the collision producing secondary particles, reaches its maximum at non-zero impact parameter. We provide the first dynamical explanation of the hollowness effect by constructing the elastic scattering amplitude in impact parameter representation according to the Glauber model. For that purpose we relied on a composite description of the proton. More concretely, the relevant degrees of freedom that participate in the scattering process were considered to be gluonic hot spots. The probability distribution for the transverse positions of hot spots inside the proton includes repulsive short-range correlations between all pairs of hot spots controlled by an effective repulsive core rc that effectively enlarges the mean transverse separation distance between them. The main results extracted from this work are as follows. To begin with, we found that our model was not able to describe a growing behavior of the inelasticity density at zero impact parameter in the absence of non-trivial spatial correlations. However, even in the presence of correlations, the emergence of the hollowness effect couldn’t be described when the number of hot spots was smaller than 3. Both features set solid constraints in the proton structure within our model. Finally, we pinpoint the transverse diffusion of the hot spots with increasing collision energy to be the dynamical mechanism underlying the onset of the hollowness effect.
A convenient playground to test further implications of this novel geometric description of the proton are the initial state properties of high energy proton-proton interactions in the context of QGP physics. The parametrization of the geometry of the collision is mandatory in any theoretical model attempting to describe the striking experimental results that suggest collective behavior in proton-proton interactions at the LHC, such as the non-zero value of the flow harmonic coefficients (vn). A quantitative way to characterize the initial geometry anisotropy of the overlap region is to compute the spatial eccentricity moments (εn) that fluctuate on an event by event basis. For that purpose we develop a Monte Carlo Glauber event generator. A systematic investigation of the effect of non-trivial spatial correlations in the spatial eccentricity moments from ISR to LHC energies within our Monte Carlo Glauber approach is presented. We found that both the eccentricity (ε2) and the triangularity (ε3) are affected by the inclusion of short-range repulsive correlations. In particular, the correlated scenario yielded larger values of ε2(3) in ultra-central collisions while reducing them in minimum bias.
Moreover, we explore not only the eccentricities mean but their fluctuations in terms of symmetric cumulants. The experimental measurement by the CMS Collaboration at √s=13 TeV indicates a anti-correlation of v2 and v3 around the same number of tracks in the three collision systems available at the LHC. We lay out, for the first time in the literature, a particular mechanism that permits an anti-correlation of ε2 and ε3 in the highest centrality bins as dictated by data. When modeling the proton as composed by 3 gluonic hot spots, the most common assumption in the literature, we find that the inclusion of spatial correlations is indispensable to reproduce the negative sign. Further, we perform a systematic investigation of the parameter space of the model i.e. radius of the hot spot, radius of the proton, repulsive core and number of hot spots in each proton. Our results suggest that the interplay of the different scales is decisive and confirm the discriminating power of this observable on initial state models. Together with their drastic impact on the description of the hollowness effect and the absolute values of the eccentricities, the symmetric cumulant study adds evidence to the fact that the inclusion of spatial correlations between the sub nucleonic degrees of freedom of the proton modifies the initial state properties of p+p interactions at LHC energies.
Most of the elements heavier than iron are produced through neutron capture reactions in the s- and r -process. The overall path of the s-process is well understood and can be accurately reproduced in network simulations. However, there are still some neutron capture reactions of unstable nuclei involved in the s-process, which were not yet measured due to the difficulty in producing suitable targets. In those cases, theoretical models have to be used to estimate the missing cross section.
One example is the branching point nucleus 86Rb, whose neutron capture cross section cannot be directly measured due to its short half life of 18.86 days. It is, however, also possible to measure its inverse, the 87Rb(g,n) reaction in order to obtain the 86Rb(n,g) cross section through the principle of detailed balance.
Natural rubidium was irradiated with a quasi-monoenergetic photon beam in the energy range between 10.7 MeV and 16 MeV in order to investigate the photo-dissociation cross section of 87Rb. The results are presented in this thesis. Not only the total cross section of 87Rb(g,n), but also the partial production cross section of the ground and isomeric state of 84Rb through the 85Rb(g,n) reaction was measured.
Not all isotopes can be reached via neutron capture reaction, and are therefore bypassed by the s- and r -process. These 35 proton-rich isotopes are called p-nuclei and are produced in the γ-process by a chain of photo-disintegration reactions in Type II supernovae. Network calculations of Type II supernova show that the γ-process can explain the production of most p-nuclei, but some – especially 92/94Mo and 96/98Ru – are heavily underproduced. While this could be the result of deficiencies in the corresponding stellar models or insufficient knowledge of the involved reaction rates, it is also possible that the missing p-nuclei are synthesized in other production scenarios.
An alternative scenario for 92Mo is the production via a chain of proton capture reactions in Type Ia supernovae. One important reaction in this chain is the 90Zr(p,g) reaction. The reaction cross section was already measured several times, but the results were inconclusive. In the present work, the 90 Zr(p,g) reaction was measured using the in-beam gamma-ray spectroscopy technique and the discrepancies between the data sets could be largely explained.
In this thesis, Planck size black holes are discussed. Specifically, new families of black holes are presented. Such black holes exhibit an improved short scale behaviour and can be used to implement gravity self-complete paradigm. Such geometries are also studied within the ADD large extra dimensional scenario. This allows black hole remnant masses to reach the TeV scale. It is shown that the evaporation endpoint for this class of black holes is a cold stable remnant. One family of black holes considered in this thesis features a regular de Sitter core that counters gravitational collapse with a quantum outward pressure. The other family of black holes turns out to nicely fit into the holographic information bound on black holes, and lead to black hole area quantization and applications in the gravitational entropic force. As a result, gravity can be derived as emergent phenomenon from thermodynamics.
The thesis contains an overview about recent quantum gravity black hole approaches and concludes with the derivation of nonlocal operators that modify the Einstein equations to ultraviolet complete field equations.
Die Druckmessung in Tieftemperatur-Vakuumsystemen stellt ein großes messtechnisches Problem dar. Für die in solchen Systemen auftretenden Drücke im UHV und XHV-Bereich werden meist Ionisationsmanometer vom Glühkathodentyp zur Druckmessung verwendet. Diese haben jedoch den entscheidenden Nachteil, dass durch die Verwendung einer Glühkathode zur Erzeugung freier Elektronen eine große Wärmelast in das System eingekoppelt wird. Dies führt zu einer Störung des thermischen Gleichgewichts und damit zu einer Verfälschung der Druckmessung. Weiterhin muss diese zusätzliche Wärmelast abgeführt werden, was vor allem bei kryogenen Vakuumsystemen einen erheblichen Mehraufwand darstellt.
Um dieses Problem zu umgehen, wurde ein Ionisationsmanometer entwickelt, dessen Glühkathode durch eine kalte Elektronenquelle ersetzt wurde. Der verwendete Feldemitter, eine kommerziell erhältliche CNT-Kathode, wurde gegenüber dem Anodengitter einer Extraktormessröhre positioniert. Mit diesem Aufbau wurden die Charakteristika von Kathode und Messröhre sowohl bei Raumtemperatur als auch unter kryogenen Vakuumbedingungen untersucht.
Dabei konnte gezeigt werden, dass die modifizierte Messröhre auch bei einer Umgebungstemperatur von 6 K ohne funktionale Einbußen betrieben werden kann und der gemessene Ionenstrom über mehrere Dekaden linear mit dem von einer Extraktormessröhre mit Glühkathode gemessenen Referenzdruck ansteigt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der Extraktor mit CNT-Kathode unter diesen kryogenen Bedingungen deutlich sensitiver auf geringe Druckschwankungen reagiert als sein Äquivalent mit Glühkathode.
This thesis is concerned with systematic investigations of electronic noise in novel condensed matter systems. Although fluctuations are frequently considered a nuisance, that is, a disturbance limiting the accuracy of scientific measurements, in many cases they can reveal fundamental information about the inherent system dynamics. During the past decades, the study of electronic fluctuations has evolved into an indispensable tool in condensed matter physics.
The focus of the present work lies both in a further development of the fluctuation spectroscopy technique and in the study of materials of current interest. In particular, a comprehensive study of the charge carrier dynamics in the archetypal diluted magnetic semiconductors (Ga,Mn)As and (Ga,Mn)P was performed. In spite of extensive research work carried out during the last years, there still exists no theoretical consensus on the precise mechanism of ferromagnetic order and the electronic structure in these materials. Moreover, disorder and correlation effects complicate the understanding of these compounds.
Fluctuation spectroscopy experiments presented in this work provide strong evidence that a percolation transition is observed in samples with localized charge carriers, since the normalized resistance noise magnitude displays a significant enhancement around the Curie temperature. In addition, this quantity exhibits a power law scaling behavior as a function of the resistance, which is in good agreement with theoretical models of percolating systems.
By contrast, it was found that the resistance noise in metallic samples is mainly dominated by the physics of defects such as manganese interstitials and arsenic antisites. Furthermore, first noise studies were carried out on hafnia- and yttria-based resistive random access memories. In these memristor devices, the rupture and re-formation of oxygen deficient conducting filaments caused by the electric field and Joule heating driven motion of mobile anions lead to an unusual resistance switching behavior. For the first time, comparative noise measurements on oxygen deficient and stoichiometric hafnium oxide devices, as well as on novel yttrium oxide based devices were performed in this work. Finally, new strategies for noise measurements of highly insulating and extremely low-resistive samples were developed and realized. In detail, an experimental setup for the measurements of dielectric polarization fluctuations in insulating systems was designed and successfully tested. Here, the polarization noise of a sample is measured as current or voltage fluctuations produced within a capacitance cell. The study of dielectric polarization noise allows for conclusions to be drawn regarding equilibrium structural dynamics in insulators such as relaxor ferroelectrics. On the other hand, as successfully demonstrated for a heavy-fermion compound, focused ion beam etching enables to introduce a meander-shaped geometry in single crystal platelets, in order to strongly enhance the sample resistance and thus make resistance noise measurements possible. First results indicate a connection of the noise properties with the Kondo effect in the investigated material.
Crystal growth and characterization of cerium- and ytterbium-based quantum critical materials
(2018)
In der Festkörperphysik werden heutzutage Themen wie Supraleitung, Magnetismus und Quantenkritikalität sowohl von experimenteller als auch von theoretischer Seite stark untersucht. Quantenkritikalität und Quantenphasenübergänge können in Systemen erforscht werden, für welche ein Kontroll Parameter existiert, durch den z.B. eine magnetische Ordnung soweit unterdrückt wird, bis der Phasenübergang bei Null Kelvin, bei einem quantenkritischen Punkt (QCP), stattfindet. Vorzugsweise wird quantenkritisches Verhalten an Einkristallen untersucht, da diese in sehr reiner Qualität gezüchtet werden können und da deren gemessenen physikalischen Eigenschaften ausschließlich intrinsisch sind und nicht durch Verunreinigungseffekte überlagert werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Züchtung von Einkristallen und der Charakterisierung von Materialien, die quantenkritische Phänomene aufweisen. Als Ausgangsstoffe dienten dabei Elemente höchstmöglicher Reinheit. Es wurden die Serie YbNi4(P1-xAsx)2 mit einem ferromagnetischen QCP bei x=0,1, die Verbindung YbRh2Si2 mit einem feldinduzierten QCP bei Bcrit = 60mT und die Serie Ce(Ru1-xFex)PO mit einem QCP bei x = 0,86 untersucht. Für alle Verbindungen wurde das Züchtungsverfahren entwickelt, dann wurden Einkristalle gezüchtet und charakterisiert. Die Züchtung wurde zum einen mittels der Bridgman-Methode, zum anderen mit der Czochralski Methode durchgeführt. Neben struktureller und chemischer Charakterisierung der Einkristalle mittels Röntgen-Pulverdiffraktometrie, Laue-Methode und Energie-dispersiver Röntgen-Spektroskopie, wurden auch deren spezifische Wärme, elektrischer Widerstand und Magnetisierung im Temperaturbereich 1,8 – 300 K untersucht. Im weiteren Verlauf wurden die Kristalle in verschiedenen Kooperationen untersucht und bis in den Tieftemperatur- Bereich (20 mK), bei YbRh2Si2 bis in den Submillikelvin-Bereich, charakterisiert. Ausserdem wurden im Rahmen dieser Dissertation Einkristalle weiterer antiferromagnetischer Verbindungen SmRh2Si2, GdRh2Si2, GdIr2Si2, HoRh2Si2 und HoIr2Si2 gezüchtet. Bei diesen Verbindungen stand die Untersuchung elektronischer Oberflächenzustände mittels winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie im Vordergrund.
Quantum chromodynamics (QCD) is the theory of the strong interaction between quarks and gluons. Due to Confinement, at lower energies quarks and gluons are bound into colorless states called hadrons. QCD is also asymptotically free, i.e. at large energies or densities it enters a deconfined state, termed quark-gluon plasma (QGP), where quarks and gluons are quasi-free. This transition occurs at an energy scale around 200 MeV where QCD cannot be treated perturbatively. Instead it can be formulated on a space-time grid. The resulting theory, lattice quantum chromodynamics (LQCD), can be simulated efficiently on high performance parallel-computing clusters. In recent years graphic processing units (GPUs), which outperform CPUs in terms of parallel-computing and memory bandwidth capabilities, became very popular for LQCD computations. In this work the QCD deconfinement transition is studied using CL2QCD, a LQCD application that runs efficiently on GPUs. Furthermore, CL2QCD is extended by a Rational Hybrid Monte Carlo algorithm for Wilson fermions to allow for simulations of an odd number of quark flavors.
Due to the sign-problem LQCD simulations are restricted to zero or very small baryon densities, where, in the limit of infinite quark mass QCD has a first order deconfinement phase transition associated to the breaking of the global centre symmetry. Including dynamical quarks breaks this symmetry explicitly. Lowering their mass weakens the first order transition until it terminates in a second order Z2 point. Beyond this point the transition is merely an analytic crossover. As the lattice spacing is decreased, the reduction of discretization errors causes the region of first order transitions to expand towards lower masses. In this work the deconfinement critical point with 2 and 3 flavors of standard Wilson fermions is studied. To this end several kappa values are simulated on temporal lattice extents 6,8,10 (4) for two flavors (three flavors) and various aspect ratios (spatial lattice extent / temporal lattice extent) so as to extrapolate to the thermodynamic limit, applying finite size scaling. For two flavors an estimate is done if and when a continuum extrapolation is possible.
The chiral and deconfinement phase transitions at zero density for light and heavy quarks, respectively, have analytic continuations to purely imaginary chemical potential, where no sign-problem exists and LQCD simulations can be applied. At some critical value of the imaginary chemical potential, the transitions meet the endpoint of the Roberge-Weiss transition between adjacent Z3 sectors. For light and heavy quarks the transition lines meet in a triple point, while for intermediate masses they meet in a second order point. At the boundary between these regimes the junction is a tricritical point, as shown in studies with two and three flavors of staggered and Wilson quarks on lattices with a temporal lattice extent of 4. Employing finite size scaling the nature of this point as a function of the quark mass is studied in this work for two flavors of Wilson fermions with a temporal lattice extent of 6. Of particular interest is the change of the location of tricritical points compared to an earlier study on lattices with temporal extent of 4.
Compact objects - black holes and neutron stars - are fascinating objects, not only for the astrophysicists, but for a wide range of researchers, including astronomers, theoretical physicists, particle and nuclear physicists, condensed matter physicists and arguably for the layman as well.
First theorized in the first part of the twentieth century, for a long time these objects have been considered just exotic ideas or mathematical curiosities. Pulsar were however detected in the late 1960s and readily identified as rotating, radiating neutron stars, while the first candidate black hole, Cygnus X-1, was observed in 1972. Since then the interest in these objects has steadily grown.
The reasons behind this interest are easily understood considering that compact object dwell at the intersection of many different areas of physics, and are ideal laboratories to explore the interplay between these areas.
Black holes, which are purely gravitational objects, are perfectly suited to study the nature of gravity, its manifestations such as gravitational waves, and the differences between various theories of gravity in the regime where they are expected to be most relevant, i.e. the strong field regime. However, just like any massive astrophysical object, black holes are interested by accretion phenomena, which are thought to be the power source of some very bright astrophysical emitters of electromagnetic signals, such as active galactic nuclei or X-ray binaries.
At the same time, black holes exist in a variety of different mass scales, from stellar mass to supermassive black holes billions of times heavier. The latter play a very important and yet not fully understood role in the formation and evolution of galaxies, as well as in shaping the large scale structure of the universe, making them relevant to cosmology as well.
Neutron stars share with black holes the characteristic of being gravitationally dominated systems; but because they are composed of baryon matter, they display a much richer behaviour. It has been realized early on that the matter in neutron star cores reaches extreme densities, exceeding the one in atomic nuclei. This means that neutron stars could provide invaluable information on the behaviour of matter in such extreme conditions (which are impossible to achieve in laboratory experiments), such as details of the nucleonic interaction, the properties of hyperons or of quark-gluon plasmas.
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