Physik
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Der Urknall vor ungefähr 13.8 Milliarden Jahren markiert die Entstehung des Universums. Die gesamte Energie und Materie war in einem Punkt konzentriert und expandiert seitdem kontinuierlich. Wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall war die Temperatur und Dichte dieser Materie extrem hoch und die erschaffenen Elementarteilchen, speziell Quarks und Gluonen, durchliefen einen Zustand den man als Quark-Gluon-Plasma (QGP) bezeichnet und innerhalb dessen die starke Wechselwirkung dominiert. Innerhalb dieses Plasmas können Quarks und Gluonen, welche sonst in Hadronen gebunden sind, sich frei bewegen. Die direkte Beobachtung des frühzeitlichen QGPs ist mit heutigen Mitteln nicht möglich. Allerdings ist es möglich die Dynamik und Kinematik innerhalb eines künstlich erzeugten QGPs zu erforschen und damit Rückschlüsse auf die Vorgänge während des Urknalls zu machen.
Um künstliche QGPs unter kontrollierten Bedingungen zu erzeugen, werden heutzutage ultrarelativistische Schwerionen zur Kollision gebracht. Der stärkste je gebaute Schwerionenbeschleuniger LHC befindet sich am Kernforschungzentrum CERN in der Nähe von Genf. Das ALICE Experiment, als eines der vier großen Experimente am LHC, wurde speziell gebaut um das QGP näher zu untersuchen. Vollständig ionisierte Bleikerne werden mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in den Experimenten zur Kollision gebracht. Die deponierte Energie lässt die Temperatur der Quarks und Gluonen innerhalb der kollidierenden Nukleonen ansteigen bis eine kritische Temperatur überschritten wird und ein Phasenübergang in das QGP erfolgt. Im Laufe der Kollision kühlt das Medium ab und gelangt unter die kritische Temperatur. Nun werden aus den ehemals freien Quarks Hadronen gebildet. Diese Hadronen oder Zerfallsprodukte dieser Hadronen können daraufhin in die Detektoren des Experiments fliegen und werden dann dort gemessen.
Es gibt mehrere mögliche Observablen des QGP, die messbar mit dem ALICE Experiment sind. Die Observablen, die in dieser Arbeit detailliert untersucht werden, sind die invariante Masse und der Paartransversalimpuls eines Dielektrons. Ein Dielektron besteht aus einem Elektron und einem Positron, welche miteinander korreliert sind. Dielektronen sind ideale Sonden zur Vermessung des QGPs. Sie werden durch verschiedene Prozesse während allen Kollisionsphasen produziert, wie beispielsweise bei den initialen, harten Stößen der kollidierenden Nukleonen oder durch den elektromagnetischen Zerfall verschiedener Hadronen wie π0 und J/ψ. Zusätzlich strahlt das QGP Dielektronen abhängig von seiner Temperatur ab. Theoretisch erlaubt dies die direkte Temperaturmessung des QGPs. Ein weiterer Vorteil der Dielektronenmessung gegenüber der Messung von Hadronen liegt darin, dass Elektronen und Positronen keine Farbladungen tragen und somit auch nicht mit der dominierenden starken Wechselwirkung innerhalb des QGPs interagieren und somit unbeeinflusst Informationen über seine Dynamik liefern können.
In dieser vorliegenden Arbeit werden Dielektronenspektren als Funktion der invarianten Masse und des Paartransversalimpulses in Blei-Blei-Kollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von √sNN = 5.02 TeV gemessen. Das erste Mal in Schwerionenkollisionen konnte an einem der großen LHC Experimente der minimale Transversalimpuls der gemessenen Elektronen und Positronen auf peT > 0.2 GeV/c minimiert werden. Dies gibt im Vergleich zu der publizierten Messung mit peT > 0.4 GeV/c die Möglichkeit auch sogenannte weiche Prozesse zu messen, erhöht aber auch den Komplexit ätsgrad der Messung durch massiv gesteigerten Untergrund. Zusätzlich ist die Messung zentralitäsabhängig durchgeführt. Zentralität ist ein Maß für den Abstand der beiden Bleikerne zum Zeitpunkt der Kollision. Je zentraler eine Kollision, desto größer ist die deponierte Energie und desto größer und heißer ist das erzeugte QGP und die daraus resultierenden Effekte.
Die gemessenen Dielektronenverteilungen werden mit dem erwarteten Beiträgen aus hadronischen Zerfällen verglichen. Die Messung ergibt, dass der Beitrag aus semileptonischen Zerfällen von Charmquarks gemessen im Vakuum, welcher mit der Anzahl der binären Nukleon-Nukleon-Kollisionen in Blei-Blei-Ereignissen hochskaliert ist, nicht das Dielektronenspektrum beschreibt. Eine Modifizierung des Beitrag gemäß des unabhängig gemessenen nuklearen Modifikationsfaktors für einzelne Elektronen aus Charm- und Beautyquarks verbessert die Beschreibung des Dielektronenspektrums. Zusätzlich wurde der Beitrag virtueller direkter Photonen abgeschätzt. Die gemessenen Werte sind vergleichbar mit vorangegangenen Messungen bei einer niedrigeren Schwerpunktsenergie. Ebenso ist es möglich in periphären Kollisionen einen Beitrag durch eine Quelle zu vermessen, die Dielektronen bei niedrigem Transversalimpuls pT,ee < 0.15 GeV/c aussendet.
Scanning probe microscopy (SPM) has become an essential surface characterization technique in research and development. By concept, SPM performance crucially depends on the quality of the nano-probe element, in particular, the apex radius. Now, with the development of advanced SPM modes beyond morphology mapping, new challenges have emerged regarding the design, morphology, function, and reliability of nano-probes. To tackle these challenges, versatile fabrication methods for precise nano-fabrication are needed. Aside from well-established technologies for SPM nano-probe fabrication, focused electron beam-induced deposition (FEBID) has become increasingly relevant in recent years, with the demonstration of controlled 3D nanoscale deposition and tailored deposit chemistry. Moreover, FEBID is compatible with practically any given surface morphology. In this review article, we introduce the technology, with a focus on the most relevant demands (shapes, feature size, materials and functionalities, substrate demands, and scalability), discuss the opportunities and challenges, and rationalize how those can be useful for advanced SPM applications. As will be shown, FEBID is an ideal tool for fabrication/modification and rapid prototyping of SPM-tipswith the potential to scale up industrially relevant manufacturing.
Focused electron and ion beam-induced deposition (FEBID/FIBID) are direct-write techniques with particular advantages in three-dimensional (3D) fabrication of ferromagnetic or superconducting nanostructures. Recently, two novel precursors, HCo 3 Fe(CO) 12 and Nb(NMe 3 ) 2 (N-t-Bu), were introduced, resulting in fully metallic CoFe ferromagnetic alloys by FEBID and superconducting NbC by FIBID, respectively. In order to properly define the writing strategy for the fabrication of 3D structures using these precursors, their temperature-dependent average residence time on the substrate and growing deposit needs to be known. This is a prerequisite for employing the simulation-guided 3D computer aided design (CAD) approach to FEBID/FIBID, which was introduced recently. We fabricated a series of rectangular-shaped deposits by FEBID at different substrate temperatures between 5 ∘ C and 24 ∘ C using the precursors and extracted the activation energy for precursor desorption and the pre-exponential factor from the measured heights of the deposits using the continuum growth model of FEBID based on the reaction-diffusion equation for the adsorbed precursor.
Suppression of light nuclei production in collisions of small systems at the Large Hadron Collider
(2019)
We show that the recently observed suppression of the yield ratio of deuteron to proton and of helium-3 to proton in p+p collisions compared to those in p+Pb or Pb+Pb collisions by the ALICE Collaboration at the Large Hadron Collider (LHC) can be explained if light nuclei are produced from the coalescence of nucleons at the kinetic freeze-out of these collisions. This suppression is attributed to the non-negligible sizes of deuteron and helium-3 compared to the size of the nucleon emission source in collisions of small systems, which reduces the overlap of their internal wave functions with those of nucleons. The same model is also used to study the production of triton and hypertriton in heavy-ion collisions at the LHC. Compared to helium-3 in events of low charged particle multiplicity, the triton is less suppressed due to its smaller size and the hypertriton is even more suppressed as a result of its much larger size.
We study how the mass and magnetic moment of the quarks are dynamically generated in nonequilibrium quark matter. We derive the equal-time transport and constraint equations for the quark Wigner function in a magnetized quark model and solve them in the semi-classical expansion. The quark mass and magnetic moment are self-consistently coupled to the Wigner function and controlled by the kinetic equations. While the quark mass is dynamically generated at the classical level, the quark magnetic moment is a pure quantum effect, induced by the quark spin interaction with the external magnetic field.
The plasma membrane (PM) is composed of a complex lipid mixture that forms heterogeneous membrane environments. Yet, how small-scale lipid organization controls physiological events at the PM remains largely unknown. Here, we show that ORP-related Osh lipid exchange proteins are critical for the synthesis of phosphatidylinositol (4,5)-bisphosphate [PI(4,5)P2], a key regulator of dynamic events at the PM. In real-time assays, we find that unsaturated phosphatidylserine (PS) and sterols, both Osh protein ligands, synergistically stimulate phosphatidylinositol 4-phosphate 5-kinase (PIP5K) activity. Biophysical FRET analyses suggest an unconventional co-distribution of unsaturated PS and phosphatidylinositol 4-phosphate (PI4P) species in sterol-containing membrane bilayers. Moreover, using in vivo imaging approaches and molecular dynamics simulations, we show that Osh protein-mediated unsaturated PI4P and PS membrane lipid organization is sensed by the PIP5K specificity loop. Thus, ORP family members create a nanoscale membrane lipid environment that drives PIP5K activity and PI(4,5)P2 synthesis that ultimately controls global PM organization and dynamics.
We calculate ratios of higher-order susceptibilities quantifying fluctuations in the number of net-protons and in the net-electric charge using the Hadron Resonance Gas (HRG) model. We take into account the effect of resonance decays, the kinematic acceptance cuts in rapidity, pseudo-rapidity and transverse momentum used in the experimental analysis, as well as a randomization of the isospin of nucleons in the hadronic phase. By comparing these results to the latest experimental data from the STAR Collaboration, we determine the freeze-out conditions from net-electric charge and net-proton distributions and discuss their consistency.
The changing shape of the rapidity spectrum of net protons over the SPS energy range is still lacking theoretical understanding. In this work, a model for string excitation and string fragmentation is implemented for the description of high energy collisions within a hadronic transport approach. The free parameters of the string model are tuned to reproduce the experimentally measured particle production in proton-proton collisions. With the fixed parameters we advance to calculations for heavy ion collisions, where the shape of the proton rapidity spectrum changes from a single peak to a double peak structure with increasing beam energy in the experiment. We present calculations of proton rapidity spectra at different SPS energies in heavy ion collisions. Qualitatively, a good agreement with the experimental findings is obtained. In a future work, the formation process of string fragments will be studied in detail aiming to quantitatively reproduce the measurement.
We report on the successful implementation and characterization of a cryogenic solid hydrogen target in experiments on high-power laser-driven proton acceleration. When irradiating a solid hydrogen filament of 10 μm diameter with 10-Terawatt laser pulses of 2.5 J energy, protons with kinetic energies in excess of 20 MeV exhibiting non-thermal features in their spectrum were observed. The protons were emitted into a large solid angle reaching a total conversion efficiency of several percent. Two-dimensional particle-in-cell simulations confirm our results indicating that the spectral modulations are caused by collisionless shocks launched from the surface of the the high-density filament into a low-density corona surrounding the target. The use of solid hydrogen targets may significantly improve the prospects of laser-accelerated proton pulses for future applications.