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The modern phase diagram of strongly interacting matter reveals a rich structure at high-densities
due to phase transitions related to the chiral symmetry of quantum chromodynamics (QCD) and
the phenomenon of color superconductivity. These exotic phases have a significant impact on
high-density astrophysics, such as the properties of neutron stars, and the evolution of astrophysical systems as proto-neutron stars, core-collapse supernovae and neutron star mergers. Most recent pulsar mass measurements and constraints on neutron star radii are critically discussed.
Astrophysical signals for exotic matter and phase transitions in high-density matter proposed recently in the literature are outlined. A strong first order phase transition leads to the emergence of a third family of compact stars besides white dwarfs and neutron stars. The different microphysics of quark matter results in an enhanced r-mode stability window for rotating compact stars compared to normal neutron stars. Future telescope and satellite data will be used to extract signals from phase transitions in dense matter in the heavens and will reveal properties of the phases of dense QCD. Spectral line profiles out of x-ray bursts will determine the mass-radius ratio of compact stars. Gravitational wave patterns from collapsing neutron stars or neutron star mergers will even be able to constrain the stiffness of the quark matter equation of state. Future astrophysical data can therefore provide a crucial cross-check to the exploration of the QCD phase diagram with the heavy-ion program of the CBM detector at the FAIR facility.
We discuss the properties of two distinct forms of hypothetical strange matter, small lumps of strange quark matter (strangelets) and of hyperon matter (metastable exotic multihypernuclear objects: MEMOs), with special empha- sis on their relevance for present and future heavy ion experiments. The masses of small strangelets up to AB = 40 are calculated using the MIT bag model with shell mode filling for various bag parameters. The strangelets are checked for possible strong and weak hadronic decays, also taking into account multiple hadron decays. It is found that strangelets which are stable against strong decay are most likely highly negative charged, contrary to previous findings. Strangelets can be stable against weak hadronic decay but their masses and charges are still rather high. This has serious impact on the present high sensitivity searches in heavy ion experiments at the AGS and CERN facilities. On the other hand, highly charged MEMOs are predicted on the basis of an extended relativistic mean field model. Those objects could be detected in future experiments searching for short lived, rare composites. It is demonstrated that future experiments can be sensitive to a much wider variety of strangelets.
We examine the properties of both forms of strange matter, small lumps of strange quark matter (strangelets) and of strange hadronic matter (Metastable Exotic Multihypernuclear Objects: MEMOs) and their relevance for present and future heavy ion searches. The strong and weak decays are discussed separately to distinguish between long-lived and short-lived candidates where the former ones are detectable in present heavy ion experiments while the latter ones in future heavy ion experiments, respectively. We find some long-lived strangelet candidates which are highly negatively charged with a mass to charge ratio like a anti deuteron (M/Z 2) but masses of A=10 to 16. We predict also many short-lived candidates, both in quark and in hadronic form, which can be highly charged. Purely hyperonic nuclei like the (2 02 ) are bound and have a negative charge while carrying a positive baryon number. We demonstrate also that multiply charmed exotics (charmlets) might be bound and can be produced at future heavy ion colliders.
Recent progress in the understanding of the high density phase of neutron stars advances the view that a substantial fraction of the matter consists of hyperons. The possible impacts of a highly attractive interaction between hyperons on the properties of compact stars are investigated. We find that a hadronic equation of state with hyperons allows for a first order phase transition to hyperonic matter. The corresponding hyperon stars can have rather small radii of R ~ 8 km. PACS: 26.60+c, 21.65+f, 97.60.Gb, 97.60.Jd
Recent progress in the understanding of the high density phase of neutron stars advances the view that a substantial fraction of the matter consists of hyperons. The possible impacts of a highly attractive interaction between hyperons on the properties of compact stars is investigated. We find that the equation of state exhibits a second stable minimum at large hyperon contents which is in accord with existing hypernuclear data. This second solution gives rise to new effects for neutron star properties which are similar to the ones proposed for the deconfinement transition to strange quark matter and absolutely stable strange stars. We find that the corresponding hyperstars can have rather small radii of R=6-8 km independent of the mass. PACS: 26.60+c, 21.65+f, 97.60.Gb, 97.60.Jd
Recent progress in the understanding of the high density phase of neutron stars advances the view that a substantial fraction of the matter consists of hyperons. The possible impacts of a highly attractive interaction between hyperons on the properties of compact stars are investigated.We find that a hadronic equation of state with hyperons allows for a first order phase transition to hyperonic matter. The corresponding hyperon stars can have rather small radii of R 8 km.
The possible role of a first order QCD phase transition at nonvanishing quark chemical potential and temperature for cold neutron stars and for supernovae is delineated. For cold neutron stars, we use the NJL model with nonvanishing color superconducting pairing gaps, which describes the phase transition to the 2SC and the CFL quark matter phases at high baryon densities. We demonstrate that these two phase transitions can both be present in the core of neutron stars and that they lead to the appearance of a third family of solution for compact stars. In particular, a core of CFL quark matter can be present in stable compact star configurations when slightly adjusting the vacuum pressure to the onset of the chiral phase transition from the hadronic model to the NJL model. We show that a strong first order phase transition can have strong impact on the dynamics of core collapse supernovae. If the QCD phase transition sets in shortly after the first bounce, a second outgoing shock wave can be generated which leads to an explosion. The presence of the QCD phase transition can be read off from the neutrino and antineutrino signal of the supernova.
Different numerical approaches and algorithms arising in the context of modelling of cellular tissue evolution are discussed in this thesis. Being suited in particular to off-lattice agent-based models, the numerical tool of three-dimensional weighted kinetic and dynamic Delaunay triangulations is introduced and discussed for its applicability to adjacency detection. As there exists no implementation of a code that incorporates all necessary features for tissue modelling, algorithms for incremental insertion or deletion of points in Delaunay triangulations and the restoration of the Delaunay property for triangulations of moving point sets are introduced. In addition, the numerical solution of reaction-diffusion equations and their connection to agent-based cell tissue simulations is discussed. In order to demonstrate the applicability of the numerical algorithms, biological problems are studied for different model systems: For multicellular tumour spheroids, the weighted Delaunay triangulation provides a great advantage for adjacency detection, but due to the large cell numbers the model used for the cell-cell interaction has to be simplified to allow for a numerical solution. The agent-based model reproduces macroscopic experimental signatures, but some parameters cannot be fixed with the data available. A much simpler, but in key properties analogous, continuum model based on reaction-diffusion equations is likewise capable of reproducing the experimental data. Both modelling approaches make differing predictions on non-quantified experimental signatures. In the case of the epidermis, a smaller system is considered which enables a more complete treatment of the equations of motion. In particular, a control mechanism of cell proliferation is analysed. Simple assumptions suffice to explain the flow equilibrium observed in the epidermis. In addition, the effect of adhesion on the survival chances of cancerous cells is studied. For some regions in parameter space, stochastic effects may completely alter the outcome. The findings stress the need of establishing a defined experimental model to fix the unknown model parameters and to rule out further models.
A two-center shell model with oscillator potentials, l→·s→ forces, and l→2 terms is developed. The shell structures of the original spherical nucleus and those of the final fragments are reproduced. For small separation of the two centers the level structure resembles the Nilsson scheme. This two-center shell model might be of importance in problems of nuclear fission.
In April and May 2012 data on Au+Au collisions at beam energies of Ekin = 1.23A GeV were recorded with the High Acceptance Di-Electron Spectrometer, which is located at the GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research in Darmstadt, Germany. At this beam energy all hadrons containing strangeness are produced below their elementary production threshold. The required energy is not available in binary NN collisions but must be provided by the system e.g. through multi-particle interactions or medium effects like a modified in-medium potential (e.g. KN/ΛN potential). Thus, a high sensitivity to these medium effects is expected in the investigated system.
The baryon-dominated systems created in relativistic heavy-ion collisions (HIC) at SIS18 energies reach densities of about 2-3 times ground state density p0 and may be similar to the properties of matter expected in the inner core of neutron stars. It is in particular the behavior of hadrons containing strangeness, i.e. kaons and hyperons, and their potentials in the dense medium which may have severe implications on astrophysical objects and processes. As ab-initio calculations of quantum chromodynamics (QCD) cannot be performed rigorously on the lattice at finite baryo-chemical potentials due to the fermion sign problem, effective descriptions have to be used in order to model properties of dense systems and the involved particles. The only way to access the in-medium potential of strange hadrons above nuclear ground state density p0 is by comparing data from relativistic HIC to such effective microscopic models. Up to now, not much data on neutral kaons and Λ hyperons are available from heavy collision systems close to their NN production threshold. These two electromagnetically uncharged strange hadrons are in particular well suited to study their potential in a dense nucleon-dominated environment as their kinematic spectra are not affected by Coulomb interactions.
In dieser Arbeit wurden im Rahmen des HADES-Experimentes von 2007 Proton-Proton-Stöße bei einer kinetischen Energie von Tkin = 3.5GeV der Reaktion pp → ppw simuliert. Insbesondere wurde mittels einer Pluto-Simulation untersucht, welche Auswirkungen die Berücksichtigung möglicher Verteilungsfunktionen für cos(θω) und cos(θ pp), die neben 2 weiteren Parametern als voneinander unabhängige Observablen zur Beschreibung der Reaktion gewählt wurden, auf die Anzahl der simulierten Ereignisse Nsim innerhalb der Detektorakzeptanz des HADES haben könnte. Hierbei stammt die gewählte Winkelverteilung für die w-Produktion aus Messungen des nicht mehr existierenden DISTO-Spektrometers, das Proton-Proton-Stöße bei einer leicht geringeren Energie von Tkin = 2.85GeV durchgeführt hatte, während die Verteilung für die Proton-Proton-Paar-Ausrichtung auf einer Annahme basiert und vorläufig gewählt wurde. Unter Verwendung eines weiteren Modells, das den 3-Teilchen-Zerfall ω → π+π−π0 beschreibt, wurde ein theoretisches Modell von Lutz et al. [1] in die Simulation implementiert, dessen Auswirkung auf Nsim es ebenfalls zu untersuchen galt. Dieses erlaubt eine Reduzierung der Anzahl der Freiheitsgrade des Systems von 12 auf 4, was eine Akzeptanzkorrektur der Reaktion pp→ ppω ermöglicht.
Die Ergebnisse zeigten eine starke Abhängigkeit der Anzahl der simulierten Teilchen von der Proton-Proton-Ausrichtung, die zu einer Reduzierung der Ereignisanzahl von etwa 15% führt. Dies hat zur Folge, dass eine Bestimmung der Verteilungsfunktion für diese Observable absolut notwendig ist. Die Auswirkungen der w-Winkelverteilung beträgt etwa 4−9%. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit und ohne Modell führte zu dem Ergebnis, dass eine geringe Änderung der Nsim von 1−2% zu Gunsten des Zerfallsmodells vorliegt. Eine Berücksichtigung in Simulationen, die der Untersuchung des betrachteten Zerfalls dienen, ist also keine Notwendigkeit.
Heavy quarks are useful probes to investigate the properties of the Quark-Gluon Plasma (QGP) produced in heavy-ion collisions at the LHC, since they are produced in initial hard scattering processes. To single out the signals that are characteristic of the QGP, it is nevertheless crucial to understand the primordial heavy-quark production in vacuum, and to disentangle hot from cold nuclear matter effects. Moreover, observations of collective effects in high-multiplicity pp and p-Pb collisions show surprising similarities with those in heavy-ion collisions. Heavy-flavour production in such collisions could give further insight into the underlying processes. The heavy-flavour production can be studied with e+e− pairs from correlated semileptonic decays of heavy-flavour hadrons. Compared to single heavy-flavour measurements, the dielectron yield contains information about the initial kinematical correlations between the charm and anti-charm quarks, which is otherwise not accessible, and is sensitive to soft heavy-flavour production. We report results on correlated e+e− pairs in pp collisions recorded by the ALICE detector at different collision energies. The production of heavy quarks is discussed by comparing the yield of dielectrons from heavy-flavour hadron decays as a function of invariant mass, pair transverse momentum and distance of closest approach to the primary vertex with different Monte Carlo event generators. The heavy-flavour production cross sections are also presented. Results from high-multiplicity pp collisions at √s=13 TeV and the status of the p-Pb analysis at √sNN=5.02 TeV are reported as well.
Heavy quarks are useful probes to investigate the properties of the Quark-Gluon Plasma (QGP) produced in heavy-ion collisions at the LHC, since they are produced in initial hard scattering processes. To single out the signals that are characteristic of the QGP, it is nevertheless crucial to understand the primordial heavy-quark production in vacuum, and to disentangle hot from cold nuclear matter effects. Moreover, observations of collective effects in high-multiplicity pp and p-Pb collisions show surprising similarities with those in heavy-ion collisions. Heavy-flavour production in such collisions could give further insight into the underlying processes. The heavy-flavour production can be studied with e+e− pairs from correlated semileptonic decays of heavy-flavour hadrons. Compared to single heavy-flavour measurements, the dielectron yield contains information about the initial kinematical correlations between the charm and anti-charm quarks, which is otherwise not accessible, and is sensitive to soft heavy-flavour production. We report results on correlated e+e− pairs in pp collisions recorded by the ALICE detector at different collision energies. The production of heavy quarks is discussed by comparing the yield of dielectrons from heavy-flavour hadron decays as a function of invariant mass, pair transverse momentum and distance of closest approach to the primary vertex with different Monte Carlo event generators. The heavy-flavour production cross sections are also presented. Results from high-multiplicity pp collisions at √s=13 TeV and the status of the p-Pb analysis at √sNN=5.02 TeV are reported as well.
Heavy quarks are useful probes to investigate the properties of the Quark-Gluon Plasma (QGP) produced in heavy-ion collisions at the LHC, since they are produced in initial hard scattering processes. To single out the signals that are characteristic of the QGP, it is nevertheless crucial to understand the primordial heavy-quark production in vacuum, and to disentangle hot from cold nuclear matter effects. Moreover, observations of collective effects in high-multiplicity pp and p-Pb collisions show surprising similarities with those in heavy-ion collisions. Heavy-flavour production in such collisions could give further insight into the underlying processes. The heavy-flavour production can be studied with e+e− pairs from correlated semileptonic decays of heavy-flavour hadrons. Compared to single heavy-flavour measurements, the dielectron yield contains information about the initial kinematical correlations between the charm and anti-charm quarks, which is otherwise not accessible, and is sensitive to soft heavy-flavour production. We report results on correlated e+e− pairs in pp collisions recorded by the ALICE detector at different collision energies. The production of heavy quarks is discussed by comparing the yield of dielectrons from heavy-flavour hadron decays as a function of invariant mass, pair transverse momentum and distance of closest approach to the primary vertex with different Monte Carlo event generators. The heavy-flavour production cross sections are also presented. Results from high-multiplicity pp collisions at √s=13 TeV and the status of the p-Pb analysis at √sNN=5.02 TeV are reported as well.
Dielectrons are an excellent probe for the QCD matter created in created in ultra-relativistic heavy-ion collisions, since they are emitted during the whole evolution of the collision and do not interact strongly with the medium. To isolate the QGP signals, measurement of the dielectron production in vacuum and its modifications due to the presence of cold nuclear matter is necessary. We present and discuss results from a low magnetic field detector setup in proton-proton collisions at √s = 13 TeV, as well as the measurement of dielectron production in pp, p-Pb, and Pb-Pb collisions at √sNN = 5 TeV.
In dieser Arbeit wurden die ersten Schritte unternommen um Elektronen aus den Zerfällen schwerer Quarks zu messen. Im Folgenden wird zunächst ein Überblick zum physikalische Hintergrund gegeben und der elliptische Fluss als Sonde zur Untersuchung des QGP motiviert. Anschließend werden der LHC und ALICE näher beleuchtet und die einzelnen Detektorsysteme, die für diese Analyse wichtig sind, vorgestellt. Im weiteren wird eine Methode zur Identifizierung von Elektronen vorgestellt und die Kontamination des Elektronensignals durch Hadronen bestimmt. Abschließend wird der elliptische Fluss eines von Hadronen bereinigten Inklusiv-Elektronen Spektrums bestimmt und ein Ausblick auf weitere Analyseschritte gegeben.
With a schematic model for the nuclear matter we give a unified treatment of the real and imaginary parts of the elastic O16-O16 scattering potential. The model connects the parameters of the potential with the density and binding properties of the O16-O16 system and reproduces the structure of the excitation function quite well. It is shown that the nuclear compressibility can be obtained from the scattering data, and in the case of the S32 compound system there results an effective compressibility (finite quenching of the nuclei) of about 200 MeV.
It is shown that nuclear matter is compressed during the encounter of heavy ions. If the relative velocity of the nuclei is larger than the velocity of first sound in nuclear matter (compression sound for isospin T=0), nuclear shock waves occur. They lead to densities which are 3-5 times higher than the nuclear equilibrium density ρ0, depending on the energy of the nuclei. The implications of this phenomenon are discussed.
In this work we study the non-equilibrium dynamics of a quark-gluon plasma, as created in heavy-ion collisions. We investigate how big of a role plasma instabilities can play in the isotropization and equilibration of a quark-gluon plasma. In particular, we determine, among other things, how much collisions between the particles can reduce the growth rate of unstable modes. This is done both in a model calculation using the hard-loop approximation, as well as in a real-time lattice simulation combining both classical Yang-Mills-fields as well as inter-particle collisions. The new extended version of the simulation is also used to investigate jet transport in isotropic media, leading to a cutoff-independent result for the transport coefficient $hat{q}$. The precise determination of such transport coefficients is essential, since they can provide important information about the medium created in heavy-ion collisions. In anisotropic media, the effect of instabilities on jet transport is studied, leading to a possible explanation for the experimental observation that high-energy jets traversing the plasma perpendicular to the beam axis experience much stronger broadening in rapidity than in azimuth. The investigation of collective modes in the hard-loop limit is extended to fermionic modes, which are shown to be all stable. Finally, we study the possibility of using high energy photon production as a tool to experimentally determine the anisotropy of the created system. Knowledge of the degree of local momentum-space anisotropy reached in a heavy-ion collision is essential for the study of instabilities and their role for isotropization and thermalization, because their growth rate depends strongly on the anisotropy.
This thesis presents a model for the dynamical description of deconfined quark matter created in ultra-relativistic heavy ion collisions, treating quarks and antiquarks as classical point particles subject to a colour-dependent, Cornell-type potential interaction. The model provides a dynamical handle for hadronization via the recombination of quarks and antiquarks in colour neutral clusters. Gluons are not included explicitly in the model,but are described in an effective manner by the means of the potential interaction. The model includes four different quark flavours (up, down, strange and charm) and uses current masses for the quarks. The dynamical evolution of a system of colour charges subject to the Hamiltonian equations of motion of the model yields the formation of colour neutral clusters of quarks and antiquarks, which are subject only to a small remaining interaction, the strong interquark potential notwithstanding. These clusters can be mapped onto hadrons and hadronic resonances. Thus, the model allows a dynamical description of quarks degrees of freedom in heavy ion collisions, including a recombination scheme for hadronization. The thermal properties of the model turn pout to be very satisfying. The model shows a transition from a confining phase to a deconfined phase with rising temperature, going hand in hand with a softest point in the equation of state and a rise of energy density and pressure to the Stefan-Boltzmann limit of a gas of quarks and antiquarks. Moreover, the potential interaction is screened in the deconfined phase. For the dynamical description of ultra-relativistic heavy ion collision, the qMD model is coupled to UrQMD as a generator for its initial conditions. In this way, a fully dynamical description of the expansion and hadronization of the fireball created in such collisions can be achieved. Non-equilibrium aspects of the expansion dynamics and hadronization by recombination of quarks and antiquarks are discussed in detail, and a comparison with experimental data of collisions at the CERN-SPS is presented. The big advantage of the qMD model is the possibility to study cluster formation, including exotic clusters, and fluctuations in a dynamical manner. As an example, event-by-event fluctuations in electric charge are studied. Such fluctuations have been proposed as a clear criterion to distinguish a deconfined system from a hadrons gas. However, experimental data show hadron gas fluctuation measures even at RHIC, where deconfinement is taken for granted. We will see how the dynamics of quark recombination washes out the quark-gluon plasma signal in the fluctuation criterion. Moreover, we will discuss briefly the problem of entropy at recombination. In a second application, the formation of exotic hadronic clusters, larger than usual mesons and baryons, is studied. Such clusters could provide new measures for the thermalization and homogenization of a deconfined gas of colour charges. Moreover, number estimates for exotic clusters from recombination are considerably lower than corresponding predictions from thermal models, providing a clear difference between statistical hadronization and hadronization via quark recombination. A detailed analysis is provided for pentaquark candidates such as the Theta-Plus. It turns out that the distribution of exotic states over strangeness, isospin, and spin could provide a sensitive measure for thermalization and decorrelation in the deconfined quark phase, if it could be measured.
Nonequilibrium models (three-fluid hydrodynamics, UrQMD, and quark molecular dynamics) are used to discuss the uniqueness of often proposed experimental signatures for quark matter formation in relativistic heavy ion collisions from the SPS via RHIC to LHC. It is demonstrated that these models - although they do treat the most interesting early phase of the collisions quite differently (thermalizing QGP vs. coherent color fields with virtual particles) -- all yield a reasonable agreement with a large variety of the available heavy ion data. Hadron/hyperon yields, including J/Psi meson production/suppression, strange matter formation, dileptons, and directed flow (bounce-off and squeeze-out) are investigated. Observations of interesting phenomena in dense matter are reported. However, we emphasize the need for systematic future measurements to search for simultaneous irregularities in the excitation functions of several observables in order to come close to pinning the properties of hot, dense QCD matter from data. The role of future experiments with the STAR and ALICE detectors is pointed out.
Noneequilibrium models (three-fluid hydrodynamics and UrQMD) use to discuss the uniqueness of often proposed experimental signatures for quark matter formation in relativistic heavy ion collisions. It is demonstrated that these two models - although they do treat the most interesting early phase of the collisions quite differently(thermalizing QGP vs. coherent color fields with virtual particles) - both yields a reasonable agreement with a large variety of the available heavy ion data.
The quark-molecular-dynamics model is used to study microscopically the dynamics of the coloured quark phase and the subsequent hadron formation in relativistic S+Au collisions at the CERN-SPS. Particle spectra and hadron ratios are compared to both data and the results of hadronic transport calculations. The non-equilibrium dynamics of hadronization and the loss of correlation among quarks are studied.
Nuclear collisions at intermediate, relativistic, and ultra-relativistic energies offer unique opportunities to study in detail manifold fragmentation and clustering phenomena in dense nuclear matter. At intermediate energies, the well known processes of nuclear multifragmentation -- the disintegration of bulk nuclear matter in clusters of a wide range of sizes and masses -- allow the study of the critical point of the equation of state of nuclear matter. At very high energies, ultra-relativistic heavy-ion collisions offer a glimpse at the substructure of hadronic matter by crossing the phase boundary to the quark-gluon plasma. The hadronization of the quark-gluon plasma created in the fireball of a ultra-relativistic heavy-ion collision can be considered, again, as a clustering process. We will present two models which allow the simulation of nuclear multifragmentation and the hadronization via the formation of clusters in an interacting gas of quarks, and will discuss the importance of clustering to our understanding of hadronization in ultra-relativistic heavy-ion collisions.
For finite baryon chemical potential, conventional lattice descriptions of quantum chromodynamics (QCD) have a sign problem which prevents straightforward simulations based on importance sampling.
In this thesis we investigate heavy dense QCD by representing lattice QCD with Wilson fermions at finite temperature and density in terms of Polyakov loops.
We discuss the derivation of $3$-dimensional effective Polyakov loop theories from lattice QCD based on a combined strong coupling and hopping parameter expansion, which is valid for heavy quarks.
The finite density sign problem is milder in these theories and they are also amenable to analytic evaluations.
The analytic evaluation of Polyakov loop theories via series expansion techniques is illustrated by using them to evaluate the $\SU{3}$ spin model.
We compute the free energy density to $14$th order in the nearest neighbor coupling and find that predictions for the equation of state agree with simulations to $\mathcal{O}(1\%)$ in the phase were the (approximate) $Z(3)$ center symmetry is intact.
The critical end point is also determined but with less accuracy and our results agree with numerical results to $\mathcal{O}(10\%)$.
While the accuracy for the endpoint is limited for the current length of the series, analytic tools provide valuable insight and are more flexible.
Furthermore they can be generalized to Polyakov-loop-theories with $n$-point interactions.
We also take a detailed look at the hopping expansion for the derivation of the effective theory.
The exponentiation of the action is discussed by using a polymer expansion and we also explain how to obtain logarithmic resummations for all contributions, which will be achieved by employing the finite cluster method know from condensed matter physics.
The finite cluster method can also be used to evaluate the effective theory and comparisons of the evaluation of the effective action and a direction evaluation of the partition function are made.
We observe that terms in the evaluation of the effective theory correspond to partial contractions in the application of Wick's theorem for the evaluation of Grassmann-valued integrals.
Potential problems arising from this fact are explored.
Next to next to leading order results from the hopping expansion are used to analyze and compare the onset transition both for baryon and isospin chemical potential.
Lattice QCD with an isospin chemical potential does not have a sign problem and can serve as a valuable cross-check.
Since we are restricted by the relatively short length of our series, we content ourselves with observing some qualitative phenomenological properties arising in the effective theory which are relevant for the onset transition.
Finally, we generalize our results to arbitrary number of colors $N_c$.
We investigate the transition from a hadron gas to baryon condensation and find that for any finite lattice spacing the transition becomes stronger when $N_c$ is increased and to be first order in the limit of infinite $N_c$.
Beyond the onset, the pressure is shown to scale as $p \sim N_c$ through all available orders in the hopping expansion, which is characteristic for a phase termed quarkyonic matter in the literature.
Some care has to be taken when approaching the continuum, as we find that the continuum limit has to be taken before the large $N_c$ limit.
Although we currently are unable to take the limits in this order, our results are stable in the controlled range of lattice spacings when the limits are approached in this order.
In this work the flexibility requirements of a highly renewable European electricity network that has to cover fluctuations of wind and solar power generation on different temporal and spatial scales are studied. Cost optimal ways to do so are analysed that include optimal distribution of the infrastructure, large scale transmission, storage, and dispatchable generators. In order to examine these issues, a model of increasing sophistication is built, first considering different flexibility classes of conventional generation, then adding storage, before finally considering transmission to see the effects of each.
To conclude, in this work it was shown that slowly flexible base load generators can only be used in energy systems with renewable shares of less than 50%, independent of the expansion of an interconnecting transmission network within Europe. Furthermore, for a system with a dominant fraction of renewable generation, highly flexible generators are essentially the only necessary class of backup generators. The total backup capacity can only be decreased significantly if interconnecting transmission is allowed, clearly favouring a European-wide energy network. These results are independent of the complexity level of the cost assumptions used for the models. The use of storage technologies allows to reduce the required conventional backup capacity further. This highlights the importance of including additional technologies into the energy system that provide flexibility to balance fluctuations caused by the renewable energy sources. These technologies could for example be advanced energy storage systems, interconnecting transmission in the electricity network, and hydro power plants.
It was demonstrated that a cost optimal European electricity system with almost 100% renewable generation can have total system costs comparable to today's system cost. However, this requires a very large transmission grid expansion to nine times the line volume of the present-day system. Limiting transmission increases the system cost by up to a third, however, a compromise grid with four times today's line volume already locks in most of the cost benefits. Therefore, it is very clear that by increasing the pan-European network connectivity, a cost efficient inclusion of renewable energies can be achieved, which is strongly needed to reach current climate change prevention goals.
It was also shown that a similarly cost efficient, highly renewable European electricity system can be achieved that considers a wide range of additional policy constraints and plausible changes of economic parameters.
Four different structural models, which all fit the same X-ray powder pattern, were obtained in the structure determination of 4,11-difluoroquinacridone (C20H10N2O2F2) from unindexed X-ray powder data by a global fit. The models differ in their lattice parameters, space groups, Z, Z′, molecular packing and hydrogen bond patterns. The molecules form a criss-cross pattern in models A and B, a layer structure built from chains in model C and a criss-cross arrangement of dimers in model D. Nevertheless, all models give a good Rietveld fit to the experimental powder pattern with acceptable R-values. All molecular geometries are reliable, except for model D, which is slightly distorted. All structures are crystallochemically plausible, concerning density, hydrogen bonds, intermolecular distances etc. All models passed the checkCIF test without major problems; only in model A a missed symmetry was detected. All structures could have probably been published, although 3 of the 4 structures were wrong. The investigation, which of the four structures is actually the correct one, was challenging. Six methods were used: (1) Rietveld refinements, (2) fit of the crystal structures to the pair distribution function (PDF) including the refinement of lattice parameters and atomic coordinates, (3) evaluation of the colour, (4) lattice-energy minimizations with force fields, (5) lattice-energy minimizations by two dispersion-corrected density functional theory methods, and (6) multinuclear CPMAS solid-state NMR spectroscopy (1H, 13C, 19F) including the comparison of calculated and experimental chemical shifts. All in all, model B (perhaps with some disorder) can probably be considered to be the correct one. This work shows that a structure determination from limited-quality powder data may result in totally different structural models, which all may be correct or wrong, even if they are chemically sensible and give a good Rietveld refinement. Additionally, the work is an excellent example that the refinement of an organic crystal structure can be successfully performed by a fit to the PDF, and the combination of computed and experimental solid-state NMR chemical shifts can provide further information for the selection of the most reliable structure among several possibilities.
We present SU(3) lattice Yang-Mills data for hybrid static potentials from five ensembles with different small lattice spacings and the corresponding parametrizations for quark-antiquark separations 0.08fm≤r≤1.12fm. We remove lattice discretization errors at tree level of perturbation theory and partly at order a2 as well as the a-dependent self energy. In particular the tree-level improvement of static potentials is discussed in detail and two methods are compared. The resulting parametrizations are expected to represent continuum limit results for hybrid static potentials within statistical errors.
In der vorliegenden Arbeit wird versucht, die sog. selektiven Effekte der Ultrakurzwellentherapie (UKWT) thermisch zu erklären, und zwar durch die Temperaturschwingungen, welche durch die pulsierende Wärmebildung der Hochfrequenz(HF)-Bestrahlung in Mikroorganismen hervorgerufen werden. Bei Annahme verschiedener Mechanismen der Energieumsetzung in Wärme innerhalb oder an der Oberfläche von Teilchen, die sich in einem Suspensionsmedium befinden, wird eine Art thermische Resonanz (Selektivität) aufgefunden. Die Lage der Selektivität, abhängig von der Frequenz des HF-Feldes, der Teilchengröße und der Wärmeleitfähigkeit des Teilcheninneren und das Verhältnis der Temperaturamplitude des Teilchenmittelpunkts zur Umgebungstemperatur lassen die Vermutung zu, in Übereinstimmung mit experimentellen Befunden bei der UKWT, daß der Effekt zur Erklärung der Wirksamkeit dieser medizinischen Behandlungsmethode beiträgt. Zurückgreifend auf ältere Arbeiten wird der Anlaufvorgang des Temperaturfeldes in Mikroorganismen, der durch das Einschalten des HF-Feldes entsteht, untersucht, durch einen Modellversuch gestützt und seine Bedeutung für die UKWT, die vielfach angenommen wurde, der Kürze der Anlaufzeiten wegen in Frage gestellt.
Im Rahmen dieser Promotionsarbeit wurden fünf verschiedene Experimente mit der Schwerionen-Mikrosonde der GSI durchgeführt. Vier dieser Experimente waren erfolgreich, bei einem Experiment wurden nicht die erhofften Ergebnisse erzielt. Alle Experimente haben Ziele und Fragestellungen verfolgt, die vornehmlich mit einer Ionen-Mikrosonde bearbeitet werden können. Es wurde gezeigt, dass durch die Anwendung fein fokussierter Ionenstrahlen physikalische und technische Probleme im Mikrometerbereich sehr effizient und erfolgreich aufgeklärt werden können. Die hohe örtliche Auflösung der Mikrosonde in Verbindung mit den bekannten auf Ionenstrahlen basierenden Analysemethoden ermöglicht den Zugriff auf Informationen, die auf anderem Wege gar nicht oder nur schwer zugänglich sind. Das erste der fünf Experimente an der Mikrosonde untersuchte die Eigenschaften von polykristallinem CVD Diamant, bei der Verwendung dieses Materials als Detektor für Schwerionen. Der große Nachteil dieses Detektormaterials ist die geringe Fähigkeit, im Detektor erzeugte Ladungsträger verlustfrei zu den Elektroden zu transportieren, um sie dort zu sammeln. Häufig werden bei diesem Transportprozess vom Entstehungsor t der Ladungsträger zu den Elektroden über 90 % der ursprünglich vorhandenen Ladungsträger von Ladungsträgerfallen im Diamantmaterial eingefangen. Es bestand der starke Verdacht, dass diese Fallen vorwiegend in den Korngrenzen zwischen den Diamanteinkrista llen lokalisiert sind. Aus diesem Verdacht begründete sich die Hoffnung, dass die Einkristalle im CVD Diamant ein wesentlich besseres Ladungssammlungsverhalten zeigen würden. Da die Ionenmikrosonde einen Ionenmikrostrahl mit einem lateralen Fokusdurchmesser von ca. 0,5 µm über eine Targetfläche von 1 x 1 mm² rastern kann und dabei Punkt für Punkt die Reaktion des Targetmaterials nachweisen kann, ist sie das geeignete Werkzeug zur Untersuchung von Ladungssammlungsprozessen im Bereich der Einkristalle und der Korngrenzen. Bei der Auswertung der Ergebnisse des Experiments ist aufgefallen, dass man für das CVD Diamantmaterial innerhalb der Ionenbestrahlung zwei verschiedene Zustände unterscheiden muss. Ein unbestrahlter CVD Diamant verhält sich in Bezug auf die Ladungssammlungs- eigenschaften wesentlich anders als ein bestrahlter CVD Diamant, der schon eine gewisse Ionendosis akkumuliert hat. Beim unbestrahlten Diamant ist zu beobachten, dass sowohl in den Einkristallen als auch in den Korngrenzen sehr effektive Ladungsträge rfallen existieren. Die generelle Aussage, dass Diamanteinkristalle eine bessere Ladungssammlung zeigen, kann hier nicht bestätigt werden. Es konnte aber gezeigt werden, dass es, im etwa 300 x 350 µm großen Scannfeld, Bereiche mit sehr guten Ladungssammlungseigenschaften (Effizienz über 90 % im Maximum der Verteilung) gibt und in unmittelbarer Nähe Bereiche mit geringster Ladungssammlungs- effizienz (etwa 8 % im Maximum der Verteilung) existieren. Es konnte nicht geklärt werden, ob diese Bereiche aus Einkristallen bestehen oder sich über Korngrenzen ausdehnen. Die beobachtete 90%ige Ladungssammlungseffizienz ist jedoch ein eindeutiger Nachweis der Möglichkeit, die Detektoreigenschaften dieses Materials wesentlich verbessern zu können, wenn es gelingt, die Besonderheiten dieses hocheffizienten Bereichs aufzuklären. CVD Diamantdetektoren, die schon eine gewisse Ionendosis akkumuliert haben, werden auch als gepumpte Detektoren bezeichnet. Das Pumpen des Detektors kann dabei auch durch andere Formen der Energiezufuhr, beispielsweise mit Hilfe eines Lasers erfolgen, wichtig ist nur, dass eine große Zahl der Ladungsträgerfallen mit Ladungsträgern gefüllt sind. Da diese Fallen im CDV Diamant relativ tief sind, werden gefüllte Fallen nicht schnell entleert und sie stören, so lange sie gefüllt sind, die Ladungssammlung nicht mehr. Die Ladungs- sammlungseffizienz gepumpter Diamantdetektoren verbessert sich sehr stark im Vergleich zum ungepumpten Material. Das Maximum der Verteilung des Ladungssammlungsspektrums verschob sich von etwa 15 % Effizienz beim ungepumpten Detektor zu mehr als 50 % Effizienz beim gepumpten Detektor gemittelt über das gesamte Scannfeld. Bei der Betrachtung des Einflusses der Korngrenzen im gepumpten Material konnte festgestellt werden, dass die Einkristalle nun tatsächlich wesentlich weniger zum Verlust der Ladungsträger beitragen als die Korngrenzen. Die Korngrenzen zeichneten sich beim gepumpten CVD Diamant deutlich als dominante Bereiche des Ladungsträgerverlustes ab. Somit haben wir die bestehende Vermutung über den dominierenden Ladungsträgereinfang in den Korngrenzen für den gepumpten CVD Diamanten bestätigen können, beim ungepumpten Material hingegen verwerfen müssen. Eine weitere Aufklärung der Unterschiede zwischen den beiden Zuständen wür de hier zu einem besseren Verständnis der Vorgänge führen. Zudem wurde am CVD Diamant eine Hochdosisbestrahlung vorgenommen, bei der bestimmt werden sollte ab, welcher Ionendosis das Material soweit geschädigt ist, dass eine Trennung der Detektorsignale von den Rauschsignalen nicht mehr möglich ist. Für einen 8,3 MeV/u 12C-Strahl war diese Trennung ab einer Dosis von 8,0 x 1013 Ionen/cm² nicht mehr möglich, was bedeutet, dass der Detektor hier seine Verwendbarkeit verliert. Eine weitere Gruppe von drei Experimenten befasste sich mit der Wirkung von schnellen, schweren Ionen auf Halbleiterbauelemente. Diese anwendungsorientierten Experimente sollten Ursachen für das Fehlverhalten mikroelektronischer Bauelemente bei Ionentreffern an bestimmten Orten und zu bestimmten Zeitpunkten untersuchen, beziehungsweise Grundlagen für die theoretische Betrachtung der Vorgänge liefern. Beim ersten der drei Experimente wurde das Auftreten von Single Event Upsets in Verbindung mit Single Event Latchups in SRAM Bausteinen untersucht. Die Latchups werden bei den üblichen Testverfahren durch einen Spannungsabfall an einem externen Widerstand in der Versorgungsleitung erkannt. Mit Hilfe der Mikrosonde wurde nachgewiesen, dass diese Methode der Latchupdetektion unzureichend sein kann. Da die internen Versorgungsleitungen in der Halbleiterstruktur selber Widerstände bilden, kann der Latchup am äußeren Widerstand unter bestimmten Bedingungen nicht erkannt werden. Hier spielt die Länge der integrierten Versorgungsleitung eine wesentliche Rolle. Die bild- gebenden Verfahren der Mikrosonde bei der simultanen Messung von Latchups und Upsets können hier Latchups entdecken, die im üblichen Testverfahren nicht erkennbar waren. Das zweite dieser drei Experimente hatte das Ziel, die Upsetempfindlichkeit einer getakteten CMOS- Struktur im Bereich der Schaltflanken zu bestimmen. Hierzu wurden die Schaltzeit- punkte des ICs mit dem vom UNILAC gelieferten Ionenstrahl synchronisiert. Einzelne Ionen trafen den Schaltkreis nur innerhalb eines Zeitfensters von 2 nsec um die Schaltflanke. Da der getaktete integrierte Schaltkreis im Bereich der Schaltflanken besonders empfindlich auf die vom Ion erzeugten zusätzlichen Ladungsträger reagiert, sollten die Upsetwahrscheinlichkeiten innerhalb des Schaltprozesses mit möglichst hoher zeitlicher Auflösung vermessen werden. Die Bestimmung der Trefferzeitpunkte mit einer zeitlichen Genauigkeit von 1 ns oder besser brachte jedoch eine Vielzahl von Problemen mit sich, die letztlich dazu führten, dass dieses Experiment nicht erfolgreich abgeschlossen werden konnte. Auf Grund seiner hohen technischen Bedeutung wurde es in dieser Arbeit aber beschrieben und sollte nach der Verbesserung der Treffererkennung erneut durchgeführt werden. Es wäre das erste Experiment, in dem die Empfindlichkeit einer CMOS- Struktur gegen Ionenstrahlen mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung gemessen wird. Das dritte Experiment dieser Serie befasste sich mit der für theoretische Vorhersagen wichtigen Größe des elektronischen Durchmessers der Ionenspur. Aus der vom Schwerion erzeugten Spur breitet sich eine elektronische Stoßkaskade aus. Diese freien Ladungsträger können ungewollte Schaltvorgänge in integrierten Schalkreisen auslösen. Da die Integrationsdichte in modernen Baugruppen immer höher wird, kann die vom Ion erzeugte Spur aus freien Ladungsträgern mehrere Transistoren beeinflussen. Die Ausdehnung dieser Spur kann nicht mehr als vernachlässigbare Größe eingestuft werden. Um den Durchmesser der Spur zu bestimmen, wurde ein fein fokussierter 5,9 MeV/u Nickel-Strahl über eine Probe aus Mikrostreifen gerastert, und die in den Streifen gesammelten Ladungssignale wurden gemessen. Trotz einiger Probleme mit der kapazitiven Kopplung von Signalen zwischen den Streifen und dem Substrat und de n Streifen untereinander konnte der Durchmesser der elektronischen Spur bei diesem Test zu etwa 1,2 µm bestimmt werden. Es sollte der Versuch unternommen werden, diesen ersten experimentellen Wert durch weitere verfeinerte Messungen zu bestätigen und vor allem sollte versucht werden, das Dichteprofil der Elektronen in der Ionenspur mit dieser Technik zu bestimmen. Diese Informationen wären von großem Wert für theoretische Modelle zur Empfindlichkeit von integrierten Elektroniken gegen die Effekte einzelner Ionen. Im fünften und letzten Experiment dieser Arbeit wurde die Ionen-Mikrosonde als Werkzeug zur Strukturierung eines Hochtemperatur Dünnfilm Supraleiters eingesetzt. In der sogenannten Shubnikov-Phase können magnetische Flussquanten in den Supraleiter eindringen, obwohl der Zustand der Supraleitung noch vorhanden ist. Diese Flussquanten können durch säulenartige korrelierte Defekte im Supraleiter gebunden werden. Die Spuren schwerer Ionen bilden solche kolumnaren Defekte, die mit Hilfe der Mikrosonde aufgeprägt werden können. Da bei dieser Strukturierung eine hohe Defektdichte erforderlich war, konnte aus Zeitgründen eine Strukturierung mit dem schreibenden Ionenstrahl nicht realisiert werden. Stattdessen wurde eine Schlitzmaske verwendet, die mit Hilfe der Mikrosonde verkleinert auf der Oberfläche des Supraleiters abgebildet wurde. Auf diese Weise wur de dem Supraleiter eine Defektstruktur aus Stegen, die in einem bestimmten Winkel orientiert waren, aufgeprägt. An dem so erzeugten Supraleiter wurden dann an der Universität Mainz die elektrischen Transporteigenschaften des Materials unter dem Einfluss eines gepinnten magnetischen Feldes gemessen. Da die erwarteten Effekte aus dem Pinning der magnetischen Flussquanten erst dann eine messbare Größe annehmen, wenn dem Supraleiter Defektstrukturen in der Größenordnung von einigen µm aufgeprägt werden, ist auch hier die Ionen-Mirkrosonde das einzige verfügbare Instrument für diese Aufgabe. Mit dieser Arbeit wurde deutlich gemacht, dass eine Ionen-Mikrosonde ein vielseitig einsetzbares Instrument ist, das vor allem aufgrund der hohen Bedeutung von miniaturisierten Systemen in der modernen Forschung und Technik ein hohes Verwendungspotential besitzt. Alle hier vorgestellten Experimente wären ohne den Einsatz der Mikrosonde nicht durchführbar gewesen. Neben diesen Experimenten werden an der GSI noch eine Reihe weiterer Experimenten zum Beispiel im Bereich der Biophysik bearbeitet, die ihrerseits von der einzigartigen Möglichkeit der µm-genauen Platzierung schwerer Ionen profitieren.
Conversion processes in light nuclei with transition energies above the e+, e- pair creation threshold are investigated within an analytical framework. In particular, we evaluate the ratio of electron transition probabilities from the negative energy continuum into the atomic K shell and into the positive energy continuum, respectively. The possible role of monoenergetic positron conversion with respect to the striking peak structures observed in e+ spectra from very heavy collision systems is examined.
We define a new scalar-tensor theory with an effective gravitational coupling constant depending on a scalar field. The coupling is such that the gravitational interaction decreases with the strength of the scalar field. We show that this is not sufficient to prevent the gravitational collapse of sufficiently massive dense objects.
The vector U bosons, or so-called “dark photons,” are one of the possible candidates for the dark matter mediators. They are supposed to interact with the standard matter via a “vector portal” due to the Uð1Þ − Uð1Þ0 symmetry group mixing which might make them visible in particle and heavy-ion experiments. While there is no confirmed observation of dark photons, the detailed analysis of different experimental data allows to estimate the upper limit for the kinetic mixing parameter ϵ2 depending on the mass MU of U bosons which is also unknown. In this study we present theoretical constraints on the upper limit of ϵ2ðMUÞ in the mass range MU ≤ 0.6 GeV from the comparison of the calculated dilepton spectra with the experimental data from the HADES collaboration at SIS18 energies where the dark photons are not observed. Our analysis is based on the microscopic Parton-Hadron-String Dynamics (PHSD) transport
approach which reproduces well the measured dilepton spectra in p þ p, p þ A and A þ A collisions. Additionally to the different dilepton channels originating from interactions and decays of ordinary matter particles (mesons and baryons), we incorporate the decay of hypothetical U bosons to dileptons, U → eþe−, where the U bosons themselves are produced by the Dalitz decay of pions π0 → γU, η mesons η → γU and Delta resonances Δ → NU. Our analysis can help to estimate the requested accuracy for future experimental searches of “light” dark photons by dilepton experiments.
Towards a THz Bloch laser
(2011)
The realisation of tunable THz laser sources working at room temperature would give
rise to further applications in this range of the electromagnetic spectrum. The THz
Bloch laser could therefore become the basis for a technological breakthrough. Beside
this practical relevance, the physics of the gain mechanism has been investigated
theoretically for a long time and the experimental implementation of a self-starting
laser still has not been achieved.
At the beginning of this thesis the basic principles of Bloch oscillations and the
related Bloch gain are described. The need of a superlattice structure to make Bloch
oscillations possible in a semiconductor material is discussed. In this context, the effect
of negative differential resistance and its influence on the field distribution due to Gunn
domains is explained. The latter lead to an inhomogeneous field which may suppress
the Bloch gain mechanism. The Krömer criterion is introduced and the concept of
field-pinning layers to improve the field homogeneity is deduced. Finally, the design of
the laser material is shown and different types of laser waveguides are compared.
In chapter 3 detailed recipes for the processing of samples are given. Different types of
contacts (ohmic and Schottky), the wafer bonding process required for double-metal
lasers and the application of different photoresists for different purposes are described.
An explanation of the formation of waveguides due to dry etching, wet etching
and ion implantation follows. Dry etching is an established technique in the field
of microstructure processing but the challenge of etching about 20 μm has led to
problems. The high etching depth also makes wet etching difficult but this method
could be improved due to a hard bake of the photoresist. The protection of critical
areas on the surface of the samples with photoresist during ion implantation was
increased by optimising the spin coating process. However, a full implantation of the
active layer between the waveguides was not achieved which was the reason for the
development of the hybrid technology. Here a prior wet etching of about 10 μm is
performed and the rest of the material is implanted.
The experimental setup is shown in chapter 4. An alternative method for the electrical
contacting with the help of a copper bar is introduced. This improves the current
distribution and the risk of an electrical breakdown during the measurements could
therefore be lowered. Devices for THz beam guidance and spectroscopic measurements
are shown and the method of biasing the samples with pulses below 100 ns and
determining the effective voltage applied to the sample is depicted. These short pulses
are required to prevent the samples heating up drastically due to high power.
Chapter 5 contains the current-voltage characterisation of several structures including
I-V-samples, Bloch laser samples and a quantum cascade laser. Different contacts
(ohmic and Schottky) and different techniques for the formation of the ridges have
been used in the processing of these samples (performed at the University of Frankfurt
in all cases) and their influence on the I-V-dependence is discussed. The properties of
the THz emission of the quantum cascade laser are in good agreement with published
results from lasers processed with the same material. Another important result of
this chapter is that the Bloch laser samples show unstable behaviour compared to the
quantum cascade structure even with short pulses (of about 10 ns) where the risk of an
electrical breakdown or the building of filaments is low. THz radiation emitted from
one of the Bloch laser samples could not be observed.
Two aspects that may have prevented the Bloch laser to emit are discussed in
chapter 6. The saturation of the gain for higher amplitudes of the THz wave is
investigated in single mode and multiple mode operation (the latter could occur due
to the Bloch gain being expected to be broadband). In both cases it is shown that
the saturation effect would limit the output power only to values clearly above the
detection limit. In the subsequent section the distribution of the electric field is
simulated with SILVACO software. Structures with transit layer lengths above the
Krömer criterion are compared with structures which include field-pinning layers. It is
shown that the latter are useful to avoid propagating Gunn domains as they build up
in similar structures without field-pinning layers. Nevertheless, the electric field inside
the superlattice regions is not stable. Beside spatial inhomogeneities also temporal
variations of the field magnitude are observed. The lack of a suitable field distribution
is expected to be the main reason for the samples not to work.
Tuning and optimization of the field distribution for 4-rod radio frequency quadrupole linacs
(2014)
In this thesis, the tuning process of the 4-rod Radio Frequency Quadrupole has been analyzed and a theory for the prediction of the tuning plate's influence on the longitudinal voltage distribution was developed together with RF design options for the optimization of the fringe fields.
The basic principles of the RFQ's particle dynamics and resonant behavior are introduced in the theory part of this thesis. All studies that are presented are based on the work on four RFQs of recent linac projects. These RFQs are described in one chapter. Here, the projects are introduced together with details about the RFQ parameters and performance. In the meantime two of these RFQs are in full operation at NSCL at MSU and FNAL. One is operating in the test phase of the MedAustron Cancer Therapy Center and the fourth one for LANL is about to be built. The longitudinal voltage distribution has been studied in detail with a focus on the influence of the RF design with tuning elements and parameters like the electrodes overlap or the distance between stems. The theory for simulation methods for the field flatness that were developed as part of this thesis, as well as its simulation with CST MWS have been analyzed and compared to measurements. The lumped circuit model has proven to predict results with an accuracy that can be used in the tuning process of 4-rod RFQs. Together with results from the tuning studies, the studies on the fringe fields of the 4-rod structure lead to a proposal for a 4-rod RFQ model with an improved field distribution in the transverse and longitudinal electric field.
For the injector upgrade at FNAL a 4-rod Radio Frequency Quadrupole (RFQ) with a resonance frequency of 200 MHz has been build. With this short structure of only 1.3 m a very compact injector design has been realized. Simulations with CST Microwave Studio® were performed for the design. Their results leading to the RF characterizations of the RFQ and the final RF setup which has been accomplished at IAP of the Goethe-University Frankfurt are presented in this paper.
Es wurde das Leitfähigkeitsverhalten von reinem, lufthaltigem Wasser bei kontinuierlicher und impulsgetasteter Röntgenbestrahlung (60 kV8) untersucht. Hierbei ergaben sich zwei einander überlagerte Effekte: 1. Ein der Röntgen-Dosisleistung proportionaler irreversibler Leitfähigkeitsanstieg, der vermutlich auf eine Strahlenreaktion des gelösten CO2 zurückzuführen ist, 2. eine reversible Leitfähigkeitserhöhung während der Bestrahlung, die sich mit der Entstehung einer Ionenart mit einer mittleren Lebensdauer von ca. 0,15 sec erklären läßt. Es wird angenommen, daß es sich dabei um Radikalionen O2⊖ handelt, welche durch die Reaktion der als Strahlungsprodukt entstehenden Η-Radikale mit dem gelösten Sauerstoff gebildet werden. Ein möglicher chemischer Reaktionsmechanismus wird angegeben, der zu befriedigender quantitativer Übereinstimmung der Versuchsergebnisse mit Ausbeutewerten und Reaktionskonstanten aus der Literatur führt.
In dieser Arbeit wird die Elektronenemission aus langsamen He 2 HeStößen, d.h. bei Stoßenergien unterhalb von 25 keV/u, experimentell untersucht. Dabei wird auf den Vergleich der Einfachionisation (He 2 He ! He 2 He e \Gamma ) mit der Transferionisation (He 2 He ! He He 2 e \Gamma ) besonderes Gewicht gelegt. Die hier verwendete Meßtechnik ist von verschiedenen Arbeitsgruppen in den letzten Jahren entwickelt worden und unter dem Schlagwort COLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) [1, 2, 3] in der Literatur zu finden. Bei COLTRIMS werden die bei einer Reaktion in einem kalten Gastarget gebildeten Ionen in einem schwachen elektrischen Feld abgesaugt. Durch den ortsaufgelösten Nachweis und die Messung der Flugzeit von der Targetzone bis zum Detektor kann die Anfangsbedingung der Bewegung im Feld, d.h. der Vektor des auf das Targetatom übertragenen Impulses, berechnet werden. Diese Methode kommt ohne Blenden aus, so daß im relevanten Teil des Phasenraumes 4ß Raumwinkel erreicht werden. Der Nachweis des Elektrons erfolgt nach demselben Prinzip, jedoch stößt man dabei an die Grenzen der Flugzeitauflösung. Deshalb wurden in allen früheren Experimenten zu ähnlichen Reaktionen [4, 5, 6, 7, 8, 9] nur zwei der drei Impulskomponenten des Elektrons bestimmt. Die Konzipierung eines Spektrometers, welches in der Lage ist, den relevanten Phasenraum lückenlos zu erfassen und dabei alle drei Impulskomponenten der Elektronen zu bestimmen, war der wesentliche Teil der apparativen Entwicklung. Das durchgeführte Experiment ist nicht nur kinematisch vollständig, sondern erlaubt durch Anwendung des Energieerhaltungssatzes auch die Bestimmung der Schale, in der das Elektron im Endzustand gebunden ist. Die beiden oben genannten Reaktionen können somit getrennt nach Ereignissen mit und ohne Anregung untersucht werden, d.h., es wurden gleichzeitig vier verschiedene Ionisationskanäle vermessen. Für den Ionisationsmechanismus bei Stößen mit einer Projektilgeschwindigkeit unterhalb der klassischen Bahngeschwindigkeit der Elektronen hat sich in den letzten Jahren der Begriff ''Sattelpunkt''Prozeß durchgesetzt [10]. Quantenmechanische Beschreibungen für Einelektronensysteme, wie das Stoßsystem p H, wurden u.a. mit der semiklassischen GekoppelteKanäleMethode [11] in einem speziellen Basissatz [12, 13] und der ''HiddenCrossings''Theorie [14, 15] gegeben. Beide Modelle beschreiben das System aus Projektil und Target als Quasimolekül. Si sind lediglich in der Lage, die groben Strukturen in den Spektren zu erklären. Das gewählte Stoßsystem He 2 He, welches zwei Elektronen besitzt, erlaubt die Untersuchung von Korrelationseffekten. Die Messungen haben ergeben, daß die Impulsverteilung des emittierten Elektrons stark davon abhängt, wo und in welchem Bindungszustand das zweite Elektron nachgewiesen wird. Die gleiche Kernladung von Projektil und Target bedingt, da alle Eigenzustände des gebildeten Quasimoleküls die Symmetrie des Hamiltonoperators gegenüber Raumspiegelung besitzen, und durch diese Spiegeloperation gehen die Endzustände der Transferionisation und der Einfachionisation ineinander über. Durch die gleichzeitige Messung der differentiellen Wirkungsquerschnitte der verschiedenen Reaktionskanäle und deren Vergleich erhält man Einblick in die zugrundeliegenden Prozesse.
Während den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall glaubt man, dass unser Universum aus einer heißen, dichten und stark wechselwirkenden Materie bestanden haben soll, welche man das Quark-Gluonen-Plasma (QGP) nennt.
In diesem Medium sind die elementaren Bausteine der Materie, die Quarks und die Gluonen, nicht mehr in Hadronen gebunden, sondern können sich stattdessen wie quasi-freie Teilchen verhalten.
Für die ALICE Kollaboration an CERN's Large Hadron Collider (LHC) ist die Untersuchung dieses Mediums eines der Hauptziele. Um dieses Medium im Labor zu erzeugen, werden Protonen und Nukleonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend zur Kollision gebracht. Dabei werden Schwerpunktsenergien von bis zu 13 TeV bei Proton-Proton (pp) Kollisionen und bis zu 5.02 TeV bei Blei-Blei (Pb--Pb) Kollisionen erreicht.
Bei solchen hochenergetischen Kollisionen werden die kritischen Werte der Energiedichte und Temperatur von jeweils ungefähr 1 GeV/c und undgefähr 155 MeV überschritten, welche mithilfe von "lattice QCD" bestimmt wurden. Sie bieten daher die perfekten Voraussetzungen für einen Phasenübergang von normaler Materie zu einem QGP.
Die Entwicklung eines solchen Mediums, beginnend bei der eigentlichen Kollision, gefolgt von der Ausbildung des Plasmas und der letztendlichen Hadronisierung, kann jedoch nicht direkt untersucht werden, da das Plasma eine extrem kurze Lebensdauer hat.
Die Studien die das QGP untersuchen möchten, müssen sich deshalb auf Teilchenmessungen und deren Veränderung aufgrund von Einflüssen durch das Medium beschränken.
Es ist noch nicht definitiv geklärt, ob sich ein QGP nur in Kollisionen schwerer Ionen bildet, oder ob dies auch in kleineren Kollisionssystemen wie Proton-Proton oder Proton-Blei der Fall ist.
Damit in dieser Thesis Einschränkungen bezüglich einer möglichen Erzeugung eines mini-GQP in kleinen Kollisionssystemen gemacht werden kann, wird der Fokus auf Messungen von neutralen Pionen und Eta Mesonen mit dem ALICE Detektor am CERN LHC gesetzt. Hierfür wird in einem Referenzsystem von Proton-Proton Kollisionen bei sqrt(s)=8 TeV und in einem Proton-Blei (p--Pb) System bei sqrt(sNN)=8.16 TeV, welches eine nukleare Modifikation erfährt, gemessen und die Ergebnisse verglichen.
Da in Proton-Proton Kollisionen die Bildung eines QGP, aufgrund zu geringer Energiedichte, nicht erwartet wird, dient eine Messung in diesem System als Messbasis, um Effekte der Kollision selbst von Effekten nach der Kollision zu separieren, welche die Teilchenproduktion beeinflussen.
Teilchen können zusätzlich zu dem QGP auch mit kalter Kernmaterie interagieren, was sich in asymmetrischen Proton-Blei Kollisionen testen lässt. In diesem Kollisionssystem wird größtenfalls ein vergleichsweise kleines QGP gebildet, wohingegen das Blei Ion selbst als kalte Kernmaterie agieren kann.
Zusätzlich zu den Mesonenmessungen wird in dieser Thesis auch die Erzeugung von direkten Photonen bei niedrigen Transversalimpulsen (pT) in multiplizitätsabhängigen p--Pb Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von sNN=5.02 TeV gemessen, welche als direkte Probe, sowie als charakteristisches Signal des QGP gilt.
Die neutralen Pionen, welche in dieser Thesis gemessen werden, kann man als einen Überlagerungszustand der zwei leichtesten Quarksorten, dem "up" (u) und dem "down" (d) Quark, sowie deren entsprechenden Anti-Teilchen verstehen.
Das eta meson hingegen hat einen zusätzlichen Anteil des "strange" Quarks und eine resultierende höhere Masse.
Quarks sind Teil des Standardmodells der Teilchenphysik, welches die Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden Elementarkräfte, ausgeübt durch Bosonen, beschreibt.
Das Modell umfasst insgesamt sechs Quarks, welche sich durch ihre Masse und Ladung unterscheiden und als Grundbestandteil von gebundenen Zuständen, sogenannten Hadronen, fungieren.
Die "up" und "down" Quarks gelten hierbei als die leichtesten Quarks und kommen daher am häufigsten in der Natur vor. Das bekannteste Beipiel stellen hier die allgemein bekannten Protonen (uud) und Neutronen (udd) dar, welche die Grundkomponenten von Nukleonen sind.
Die restlichen Quarks tragen eine deutlich höhere Masse und haben daher eine große Tendenz, sich in leichtere Quarks umzuwandeln, wodurch ihre Lebensdauer sehr gering ist. Die "top" und "bottom" Quarks, welche die Schwersten sind, können daher nicht in gewöhnlicher Materie gefunden werden.
Sie können jedoch experimentell durch hoch energetische Teilchenkollisionen erzeugt werden und indirekt über ihre Zerfallsprodukte nachgewiesen werden.
Quarks tragen eine elektrische Ladung von entweder 1/3 oder 2/3, sowie eine Farbladung, wobei Letztere verantwortlich für ihre Bindung in Hadronen ist.
Hadronen bestehen entweder aus drei Quarks, dann werden sie Baryonen genannt, oder aus einem Quark-Antiquark Paar, welches Meson genannt wird.
Diese gebundenen Zustände erfüllen eine insgesamt neutrale Farbladung, sowie eine vollzählige elektrische Ladung.
Des Weiteren gibt es auch exotische Penta-Quark Zustände, welche aus vier Quarks und einem Antiquark bestehen und bereits experimentell nachgewiesen wurden.
Aufgrund der starken Wechselwirkung, welche durch Gluonen vermittelt wird, können Quarks nicht einzeln beobachtet werden.
...
As a part of this thesis, a Monte Carlo-based code has been developed capable of simulating the transition of proton beam properties to neutron beam properties as it occurs in the Li-7(p, n)Be-7 reaction. It is able to reproduce not only the angle-integrated energy distributions but it is also capable of predicting the angle-dependent neutron spectra as measured at Forschungszentrum Karlsruhe (Karlsruhe, Germany) and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Braunschweig, Germany). Since the code retains all three spatial dimensions as well as all three velocity dimensions, it provides very detailed information on the neutron beam. The resulting data can aid in many different aspects, for example it can be used in shielding construction, or for lithium target design. In this work, the code is used to predict the neutron beam properties expected at the Frankfurt Neutron Source at Stern-Gerlach-Zentrum (FRANZ) facility. For different proton beam energies, the neutron distribution in x/p_x, y/p_y, and z/p_z is shown as well as a Mollweide projection, which illustrates the kinematic collimation effect that limits the neutron cone opening angle to less than 180 degree.
The current performance of a 4π barium fluoride gamma detector consisting of 41 modules is evaluated. It will be used to measure neutron capture events in different samples that are exposed to a neutron beam that is expected to contain up to 10^7 neutrons/(cm^2 sec). The capture cross-sections acquired in this experiment will be relevant to a multitude of different areas, for example to s-process studies, or accelerator-driven systems. The detector array was re-mounted after having been moved from Karlsruhe to Frankfurt and in the course of this process, the detector modules have been checked for their current detection properties. Every module consists of a BaF2 crystal, a photomultiplier tube connected to the crystal by sillicon oil and a voltage divider to drive the PMT, so each of them is already an individual gamma detector. Using Cobalt-60 and Caesium-137 test sources the energy resolution and - more importantly - the time resolution of every module has been determined; the results are presented in this work and compared to previous data taken at the time the detector was built initially in the mid-1980s.
Viscous hydrodynamic calculations of high energy heavy-ion collisions (Nb-Nb and Au-Au) from 200 to 800 MeV/nucleon are presented. The resulting baryon rapidity distributions, the in-plane transverse momentum transfer (bounce-off), and the azimuthal dependence of the midrapidity particles (off-plane squeeze out) compare well with Plastic Ball data. We find that the considered observables are sensitive both to the nuclear equation of state and to the nuclear shear viscosity η. Transverse momentum distributions indicate a high shear viscosity (η≊60 MeV/fm2 c) in the compression zone, in agreement with nuclear matter estimates. The bulk viscosity ζ influences only the entropy production during the expansion stage; collective observables like flow and dN/dY do not depend strongly on ζ. The recently observed off-plane (φ=90°) squeeze-out, which is found in the triple-differential rapidity distribution, exhibits the strongest sensitivity to the nuclear equation of state. It is demonstrated that for very central collisions, b=1 fm, the squeeze-out is visible even in the double-differential cross section. This is experimentally accessible by studying azimuthally symmetric events, as confirmed recently by data of the European 4π detector collaboration at Gesellchaft für Schwerionforschung Darmstadt.
Der Nobelpreisträger Hans Albrecht Bethe war einer der ganz großen Physiker des 20. Jahrhunderts. Er gilt als einer der Väter der modernen Quantenphysik. In seiner Bedeutung für die Entwicklung der modernen Physik kommt er selbst Werner Heisenberg oder Max Planck sehr nahe. Er ist in Frankfurt aufgewachsen, hat hier das Goethe-Gymnasium besucht und an der Universität Frankfurt studiert. 1933 musste er emigrieren, da seine Mutter jüdischen Glaubens war. In seiner Heimatstadt Frankfurt ist er bisher fast unbekannt geblieben. Aus Sorge, dass Hitler-Deutschland »die Bombe« zuerst bauen könnte, unterstützte Bethe die USA bei der Entwicklung der Atombombe. Robert Oppenheimer holte ihn 1941 zum Manhattan Project nach Los Alamos (New Mexico). Hans Bethe war der führende theoretische Konstrukteur der Bombe. Doch Zeit seines Lebens glaubte er, damit das Falsche getan zu haben. Nach dem Krieg engagierte er sich für die Rüstungskontrolle. Bethe initiierte 1959 die Genfer Konferenz führender Forscher zur Empfehlung eines kontrollierten Teststoppabkommens und beriet den damaligen US-Präsidenten Dwight Eisenhower bei Fragen zur Einstellung von Kernwaffenversuchen. Er war in den USA und weltweit ein Wissenschaftler mit großem politischem und moralischem Einfluss. ...
The COLTRIMS Reaction Microscope C-REMI can image the momentum vectors of all emitted charged fragments in an atomic or molecular reactions similar to the bubble chamber in high energy particle physics. C-REMI can detect fragments with “zero” kinetic energy in an ultrahigh vacuum environment by projecting them with weak electromagnetic fields onto position-sensitive detectors. Geometrically a nearly 4π collection solid angle and a nearly 50% efficiency for a fivefold multi-coincidence can be achieved. Measuring time-of-flight and detector position the momenta of the fragments can be measured with excellent resolution (<0.01 a.u.; see A1 in the Appendix). Thus, multivector correlations in momentum space are measured, which provide insight into the entangled dynamics of atomic and molecular quantum systems. From these vector-correlations phases and energies can be deduced which allow for relative time measurements even in the zeptosecond range. C-REMI provides a “spyhole” into the secrets of ultrafast dynamics of atomic and molecular processes. It is applied today around the globe in numerous research projects in physics and chemistry. The purpose for writing this article is to demonstrate the universal application possibilities of C-REMI, and its high multi-coincidence efficiency and high momentum resolution. This paper will not give a review on all milestone experiments performed with C-REMI.