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In this letter we report the first multi-differential measurement of correlated pion-proton pairs from 2 billion Au+Au collisions at sNN=2.42 GeV collected with HADES. In this energy regime the population of Δ(1232) resonances plays an important role in the way energy is distributed between intrinsic excitation energy and kinetic energy of the hadrons in the fireball. The triple differential d3N/dMπ±pdpTdy distributions of correlated π±p pairs have been determined by subtracting the πp combinatorial background using an iterative method. The invariant-mass distributions in the Δ(1232) mass region show strong deviations from a Breit-Wigner function with vacuum width and mass. The yield of correlated pion-proton pairs exhibits a complex isospin, rapidity and transverse-momentum dependence. In the invariant mass range 1.1<Minv(GeV/c2)<1.4, the yield is found to be similar for π+p and π−p pairs, and to follow a power law 〈Apart〉α, where 〈Apart〉 is the mean number of participating nucleons. The exponent α depends strongly on the pair transverse momentum (pT) while its pT-integrated and charge-averaged value is α=1.5±0.08st±0.2sy.
Next-generation DIRC detectors, like the PANDA Barrel DIRC, with improved optical designs and better spatial and timing resolution, require correspondingly advanced reconstruction and PID methods. The investigation of the PID performance of two DIRC counters and the evaluation of the reconstruction and PID algorithms form the core of this thesis. Several reconstruction and PID approaches were developed, optimized, and tested using hadronic beam particles, experimental physics events, and Geant simulations. The near-final design of the PANDA Barrel DIRC was evaluated with a prototype in the T9 beamline at CERN in 2018. The analysis finds excellent agreement between the experimental data and the Geant simulations for all reconstruction algorithms. The best PID performance of up to $5.2 \pm 0.2$ s.d. $\pi$/K separation at 3.5 GeV/c, was obtained with a time imaging PID method. The PANDA Barrel DIRC simulation, as well as the reconstruction and PID algorithms, were evaluated using experimental data from the GlueX DIRC as part of the FAIR Phase-0 program. The performance validation was carried out using physics events of the GlueX experiment and simulations. The initial analysis results of the commissioning dataset show a $\pi$/K separation power of up to 3 s.d. at a momentum of 3.0-3.5 GeV/c, obtained using a geometric reconstruction algorithm.
Das Feld der Hochenergie-Schwerionenforschung hat sich der Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas (QGP) gewidmet. Ein QGP ist ein sehr heißer und dichter Materiezustand, der kurz nach dem Urknall für einige Mikrosekunden das Universum füllte. Unter diesen extremen Bedingungen sind die fundamentalen Bausteine der Materie, die Quarks und Gluonen, quasi frei, also nicht in Hadronen eingeschlossen, wie es unter normalen Bedingungen der Fall ist. Hadronen sind Teilchen, die aus Quarks und Gluonen bestehen. Die bekanntesten Hadronen sind Protonen und Neutronen, die Bestandteile von Atomkernen, aus denen, zusammen mit Elektronen, die gesamte bekannte Materie aufgebaut ist.
Um ein QGP im Labor zu erzeugen, lässt man ultrarelativistische schwere Ionen, wie zum Beispiel Pb-208-Kerne, aufeinander prallen. Dies geschieht am CERN, dem größten Kernforschungszentrum der Welt. Der Teilchenbeschleuniger, welcher Protonen und Pb-Kerne beschleunigt und zur Kollision bringt, heißt Large Hadron Collider (LHC) und ist mit 27 km Umfang der größte der Welt. Bei einer einzigen Pb-Pb Kollision am LHC werden mehrere Tausend Teilchen und Antiteilchen erzeugt. Das dedizierte Experiment zur Untersuchung von Schwerionenkollisionen am LHC ist ALICE. ALICE ist mit mehreren Teilchendetektoren ausgerüstet, die es ermöglichen, tausende Teilchen gleichzeitig zu messen und zu identifizieren.
Unter den produzierten Teilchen befinden sich auch leichte Atomkerne, wenngleich diese nur sehr selten erzeugt werden. Die Anzahl der produzierten Teilchen pro Teilchensorte hängt nämlich von deren Masse ab. In Pb-Pb Kollisionen am LHC sinkt die Anzahl der produzierten (Anti)kerne exponentiell um einen Faktor 1/330 bei Hinzufügen jedes weiteren Nukleons. Die Menge an produzierten Teilchen pro Spezies stellt Informationen über den Produktionsmechanismus beim Übergang vom QGP zum Hadrongas zur Verfügung. Hierbei sind leichte (Anti)kerne von besonderem Interesse, da sie vergleichsweise groß sind und ihre Bindungsenergie bis zu zwei Größenordnungen kleiner ist als die Temperaturen, die bei der Erzeugung der Hadronen vorherrschen. Es ist bis heute noch nicht verstanden, wie leichte (Anti)kerne bei diesen Bedingungen erzeugt werden und überleben können.
Für diese Arbeit wurden ca. 270 Millionen Pb-Pb Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 5,02 TeV, die von ALICE im November 2018 aufgezeichnet wurden, analysiert. Es wurde die Produktion von (Anti)triton und (Anti)alpha untersucht. Wegen ihrer großen Masse werden beide Kerne sehr selten produziert, bei weitem nicht bei jeder Kollision. Antialpha ist der schwerste Antikern, der jemals gemessen wurde. Aufgrund dieser Seltenheit ist die Größe des zur Verfügung stehenden Datensatzes entscheidend. Es war möglich, das erste jemals gemessene Antialpha-Transversalimpulsspektrum zu extrahieren. Auch für (Anti)triton und Alpha wurden Transversalimpulsspektren bestimmt.
Die Ergebnisse wurden mit theoretischen Modellen und anderen ALICE Messungen verglichen.
Am Ende wird in einem Ausblick auf das kürzlich durchgeführte Upgrade der ALICE Spurendriftkammer (TPC) eingegangen. In der nächsten, bald startenden Datennahmeperiode wird der LHC seine Kollisionsrate erheblich erhöhen, was es ermöglichen wird, mehr als 100 mal so viele Daten wie bisher aufzuzeichnen. Hiervon werden die in dieser Arbeit beschriebenen (Anti)triton- und (Anti)alpha-Analysen beachtlich profitieren. Um mit den erheblich höheren Kollisionsraten zurecht zu kommen, mussten einige Detektoren, unter anderem die TPC, maßgeblich erneuert werden. In den ersten beiden Datennahmeperioden wurde die TPC mit Vieldrahtproportionalkammern betrieben. Diese sind allerdings viel zu langsam für die geplanten Kollisionsraten. Deshalb wurden sie im Jahr 2019, während einer langen Betriebspause des LHC, durch Quadrupel-GEM (Gas Electron Multiplier) Folien basierte Auslesekammern ersetzt, welche eine kontinuierliche Auslese der TPC ermöglichen. Da es sich um die erste jemals gebaute GEM TPC im Großformat handelt, war ein umfangreiches Forschungs- und Entwicklungs- (F&E) Programm notwendig, um die GEM Auslesekammern zu charakterisieren und zu testen. Im Rahmen dieses F&E Programms wurden am Anfang dieser Promotion systematische Messungen an einer kleinen Test TPC mit Quadrupel-GEM Auslese, die extra zu diesem Zweck gebaut worden war, durchgeführt. Hierbei wurde der Rückfluss der bei der Gasverstärkung erzeugten Ionen in das Driftvolumen der TPC und die Energieauflösung mit verschiedenen GEM Folien Typen und unterschiedlicher Anordnung gemessen. Das Ziel war, möglichst kleine Ionenrückflüsse bei möglichst guter Energieauflösung zu erreichen. Hierbei musste ein Kompromiss gefunden werden, da die beiden Größen sich gegenläufig verhalten. Es war jedoch möglich, mit mehreren GEM Konfigurationen Spannungseinstellungen zu identifizieren, bei denen beide Größen den gewünschten Anforderungen entsprachen.
This paper reports on Monte Carlo simulation results for future measurements of the moduli of time-like proton electromagnetic form factors, |GE | and |GM|, using the ¯pp → μ+μ− reaction at PANDA (FAIR). The electromagnetic form factors are fundamental quantities parameterizing the electric and magnetic structure of hadrons. This work estimates the statistical and total accuracy with which the form factors can be measured at PANDA, using an analysis of simulated data within the PandaRoot software framework. The most crucial background channel is ¯pp → π+π−,due to the very similar behavior of muons and pions in the detector. The suppression factors are evaluated for this and all other relevant background channels at different values of antiproton beam momentum. The signal/background separation is based on a multivariate analysis, using the Boosted Decision Trees method. An expected background subtraction is included in this study, based on realistic angular distribuations of the background contribution. Systematic uncertainties are considered and the relative total uncertainties of the form factor measurements are presented.
Bohmian mechanics as formulated originally in 1952, has been useful in the implementation of numerical methods applied to quantum mechanics. The scientific community though has had ever since a critical thought about it. Therefore, there are still points to be clarified and rectified. The two main problems are basically: Bohmian mechanics gives a privilege role to the position representation. Secondly, the current interpretation of Bohmian trajectories has been recently proven wrong.
In this context, in Chapter 2, new complex Bohmian quantities are defined; so that they allow the capacity to formulate Bohmian mechanics in any arbitrary continuous representation, for instance, the momentum representation. This Chapter is fully based on two articles, regarding the proposed complex Bohmian formulation and its extension into momentum space.
Chapter 3 deals with a redefinition and reinterpretation of the Bohmian trajectories from the handling of the continuity equation, this is done without any need of additional postulates or interpretations. Also, it is proved that Bohmian mechanics is actually more than a projective aspect of the Wigner function.
As a third point, Chapter 4 presents a sytematic treatment of the hydrodynamic scheme of Bohmian mechanics. Then, a brief summary of the transport equations in Bohmian mechanics is done. Next, a unified hydrodynamic treatment is found for the Bohmian mechanics. This treatment is useful to sketch, a Bohmian treatment to efficiently find the steady value of the transmission integral.
In Chapter 5 conclusions of this thesis are drawn.
In dieser Bachelorarbeit werden verschiedene Methoden zur Bestimmung der Betriebsfrequenz von CH-Kavitäten untersucht. Aufgrund der geometrisch komplexen Form der Beschleunigungsstruktur, können die Eigenfrequenzen nicht mithilfe von analytischen Methoden bestimmt werden. Üblicherweise werden die Eigenfrequenzen, ihre Ladungsund Stromdichten, sowie die elektromagnetischen Felder über numerische Methoden der Computational Electromagnetics (CEM) ermittelt. Die CEM ist eine junge Disziplin, deren Performanz und Anwendungsgebiete in den letzten 20 Jahren rapide gewachsen sind. Hauptverantwortlich hierfür ist zum einen das exponentielle Wachstum der Rechenleitung bei gleichbleibenden Kosten, zum anderen die Entwicklung und Verbesserung der Algorithmen. Bis zum Ende des letzten Jahrhunderts wurden elektronische Komponenten hauptsächlich dadurch entwickelt, indem Prototypen angefertigt und analysiert wurden. Diese zeitaufwendige und kostspielige Herangehensweise ist heutzutage nahezu vollständig durch CEM-Simulationen ersetzt worden. Die Hauptmethoden der CEM sind die Finite-Differenzen-Methode (FDM), die Momenten-Methode (MoM) und die Finite-Elemente-Methode (FEM). Für die Bestimmung der Eigenwerte und Eigenvektoren der Beschleunigungsstrukturen eignet sich aufgrund der Stabilität von diesen Dreien am besten die Methode der finiten Elemente. Da die FEM ein rechen- und speicherintensives Verfahren ist, wurde in dieser Arbeit nach einer schnelleren Methode gesucht, um die Betriebsfrequenz von CH-Kavitäten zu bestimmen. Hierfür wurden 84 CH-Kavitäten mithilfe von CST Studio Suite erstellt und simuliert. Es handelt sich hierbei um vier Grundtypen, drei wurden bei einer fixierten Sollfrequenz von 300 MHz konstruiert; die Sollfrequenz des vierten Grundtyps betrug 175 MHz. Die Teilchengeschwindigkeit wurde jeweils in 0,01er-Schrtitten von 0,05 c bis 0,25 c variiert. Aus den Untersuchungen der EM-Felder wurde anschließend ein semi-analytisches Modell entwickelt, das aufgrund der Geometrie der CH-Kavität die Betriebsfrequenz liefern soll.
NeuLAND (New Large-Area Neutron Detector) is the next-generation neutron detector for the R3B (Reactions with Relativistic Radioactive Beams) experiment at FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research). NeuLAND detects neutrons with energies from 100 to 1000 MeV, featuring a high detection efficiency, a high spatial and time resolution, and a large multi-neutron reconstruction efficiency. This is achieved by a highly granular design of organic scintillators: 3000 individual submodules with a size of 5 × 5 × 250 cm3 are arranged in 30 double planes with 100 submodules each, providing an active area of 250 × 250 cm2 and a total depth of 3 m. The spatial resolution due to the granularity together with a time resolution of 150 ps ensures high-resolution capabilities. In conjunction with calorimetric properties, a multi-neutron reconstruction efficiency of 50% to 70% for four-neutron events will be achieved, depending on both the emission scenario and the boundary conditions allowed for the reconstruction method. We present in this paper the final design of the detector as well as results from test measurements and simulations on which this design is based.
Many Polyakov loop models can be written in a dual formulation which is free of sign problem even when a non-vanishing baryon chemical potential is introduced in the action. Here, results of numerical simulations of a dual representation of one such effective Polyakov loop model at finite baryon density are presented. We compute various local observables such as energy density, baryon density, quark condensate and describe in details the phase diagram of the model. The regions of the first order phase transition and the crossover, as well as the line of the second order phase transition, are established. We also compute several correlation functions of the Polyakov loops.
Maximum likelihood estimates of diffusion coefficients from single-particle tracking experiments
(2021)
Single-molecule localization microscopy allows practitioners to locate and track labeled molecules in biological systems. When extracting diffusion coefficients from the resulting trajectories, it is common practice to perform a linear fit on mean-squared-displacement curves. However, this strategy is suboptimal and prone to errors. Recently, it was shown that the increments between the observed positions provide a good estimate for the diffusion coefficient, and their statistics are well-suited for likelihood-based analysis methods. Here, we revisit the problem of extracting diffusion coefficients from single-particle tracking experiments subject to static noise and dynamic motion blur using the principle of maximum likelihood. Taking advantage of an efficient real-space formulation, we extend the model to mixtures of subpopulations differing in their diffusion coefficients, which we estimate with the help of the expectation–maximization algorithm. This formulation naturally leads to a probabilistic assignment of trajectories to subpopulations. We employ the theory to analyze experimental tracking data that cannot be explained with a single diffusion coefficient. We test how well a dataset conforms to the assumptions of a diffusion model and determine the optimal number of subpopulations with the help of a quality factor of known analytical distribution. To facilitate use by practitioners, we provide a fast open-source implementation of the theory for the efficient analysis of multiple trajectories in arbitrary dimensions simultaneously.
We extend the standard solid-state quantum mechanical Hamiltonian containing only Coulomb interactions between the charged particles by inclusion of the (transverse) current-current diamagnetic interaction starting from the non-relativistic QED restricted to the states without photons and neglecting the retardation in the photon propagator. This derivation is supplemented with a derivation of an analogous result along the non-rigorous old classical Darwin-Landau-Lifshitz argumentation within the physical Coulomb gauge.