530 Physik
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Seit hundert Jahren ist bekannt, dass die mikroskopische Welt der Atome und Moleküle von den Gesetzen der Quantenphysik regiert wird. Lange Zeit galten Quantenphänomene als verworren und unkontrollierbar. Heute arbeiten Physikerinnen und Physiker daran, unter Nutzung quantenphysikalischer Effekte Materialien mit neuartigen Eigenschaften zu kreieren.
The regeneration of hadronic resonances is discussed for heavy ion collisions at SPS and SIS-300 energies. The time evolutions of Delta, rho and phi resonances are investigated. Special emphasize is put on resonance regeneration after chemical freeze-out. The emission time spectra of experimentally detectable resonances are explored.
We predict transverse and longitudinal momentum spectra and yields of rho 0 and omega mesons reconstructed from hadron correlations in C+C reactions at 2~AGeV. The rapidity and pT distributions for reconstructable rho 0 mesons differs strongly from the primary distribution, while the omega's distributions are only weakly modified. We discuss the temporal and spatial distributions of the particles emitted in the hadron channel. Finally, we report on the mass shift of the rho 0 due to its coupling to the N*(1520), which is observable in both the di-lepton and pi pi channel. Our calculations can be tested with the Hades experiment at GSI, Darmstadt.
These proceedings will cover various studies of hadronic resonances within the UrQMD transport model. After a brief explanation of the model, various observables will be highlighted and the chances for resonance reconstruction in hadronic channels will be discussed. Possible signals of chiral symmetry restoration will be investigated for feasibility.
The following thesis is the description and the analysis of time resolution measurements of the plastic scintillator protorypes bar with PMT (photomultiplier tube) readout, performed with a 31 MeV electron beam at the HZDR (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) [1]. Similar bars will be used as building blocks for the NeuLAND detector (new large area neutron detector) - a ToF (time of flight) wall within the R3B setup (Reactions with Relativistic Radioactive Beams [2]) at the future FAIR facility (GSI Darmstadt [3]). The superconducting ELBE (electron linear-accellerator for beams of high brilliance and low emittance) was used as an electron source. The scintillation material used was RP408.
Two series of measurements were made within three months. In the first series, three bars of different sizes (200 x 5 x 5 cm3; 200 x 3 x 3 cm3; 300 x 5 x 5 cm3, the latter was made by coupling one 100 cm bar with a 200 cm bar using silicon grease) were used in the experiment consecutively. They had one Hamamatsu R8619 photomultiplier tube with an active diameter of 22 mm attached to each side with silicon grease. A measurement with the 200 x 5 x 5 cm3 bar without silicon grease was also performed.
In the second series, two equal scintillator bars (270 x 5 x 5 cm3 with a 10 cm light guide) on each side were used. Measurements with and without silicon coupling as well as with two different types of PMTs (R8619 and R2059) were executed.
Time and charge signals were processed with the TACQUILA electronic board. The time resolution was measured with the very precise pulsed electron signal of the accelerator. The time resolution measurements resulted in ρ200x5x5 ~ 159 ps; ρ200x5x5,no silicon ~ 162 ps; ρ200x3x3 ~ 153 ps; ρ300x5x5 ~ 204 ps.
For the second date they resulted in ρR8619 ~ 149 ps; ρR8619, no silicon ~ 175 ps; ρR2059 ~ 141 ps.
More tests and analysis is required until the results are definite.
Die Entstehung der Elemente im Universum wird auf eine Vielzahl von Prozessen zurückgeführt, die sowohl in Urknall - als auch in stellaren Szenarien angesiedelt werden. Die Kenntnis der dort ablaufenden Reaktionen und deren Raten ermöglicht es die zugrundeliegenden Modelle einzugrenzen und somit genauere Aussagen über die Plausibilität der Szenarien zu treffen. Ein Teil dieser Prozesse stützt sich auf Neutroneneinfänge an Atomkernen, wodurch die Massezahl des Ausgangskerns erhöht wird.
Die Aktivierungsmethode ermöglicht die Bestimmung der Wahrscheinlichkeit eines Neutroneneinfangs, sofern der Zielkern eine detektierbare Radioaktivität aufweist. Die experimentelle Untersuchung einer Reaktion mit einem kurzlebigen Produktkern ist eine besondere Herausforderung, da bei langen Aktivierungen zwar viele Einfänge stattfinden, die meisten Produktkerne jedoch schon während der Aktivierung zerfallen. Ein probates Mittel um genügend Zerfälle des Produktkerns beobachten zu können ist die zyklische Aktivierung, wobei die Probe in mehrfachen Wiederholungen kurz bestrahlt und ausgezählt wird.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Anwendungen der zyklischen Aktivierung behandelt.
Eine vom Paul Scherrer Institut Villigen bereitgestellte Probe von 10Be wurde am TRIGA Reaktor der Johannes Gutenberg - Universität Mainz mit Neutronen aktiviert. Über die Cadmiumdifferenzmethode konnte der thermische und der epithermische Anteil der Neutronen separiert werden und dadurch sowohl der thermische Wirkungsquerschnitt als auch das Resonanzintegral für die Reaktion 10Be(n,γ)11Be bestimmt werden.
Am Institut für Kernphysik der Goethe Universität Frankfurt wurde mit einem Van - de - Graaff - Beschleuniger über die 7Li(p,n)7Be Reaktion ein quasistellares Neutronenspektrum mit kBT ≈ 25 keV erzeugt. Für die zyklische Aktivierung von Proben wurde die Infrastruktur in Form einer automatisiert ablaufenden Vorrichtung zur Bestrahlung und Auszählung geplant und umgesetzt. In diesem Rahmen wurden die über das Spektrum gemittelten Neutroneneinfangsquerschnitte für verschiedene Reaktionen bestimmt. Für 19F(n,γ)20F konnte der Gesamteinfangsquerschnitt bestimmt werden. Für die Reaktion 45Sc(n,γ)46Sc wurde der partielle Wirkungsquerschnitt in den 142,5 keV Isomerzustand gemessen. Aus der 115In(n,γ)116In Reaktion konnten die partiellen Querschnitte in die Isomerzustände bei 289,7 keV, 127,3 keV sowie den Grundzustand bestimmt werden.
Außerdem wurde mit einer Hafniumprobe die partiellen Einfangsquerschnitte in den 1147,4 keV Isomerzustand von 178Hf und in den 375 keV Isomerzustand von 179Hf gemessen.
A model for the quantum yield of the coloration caused by UV-light in spiropyran layers is described. This model allows to calculate the sensitivity of layers having different compositions. The mechanism concerning the stability of the coloration is essentially clarified. Calculations of the stability for layers of different compositions are possible by a model describing the mechanism approximately.
The HITRAP linear decelerator currently being set up at GSI will provide slow, few keV/u highly charged ions for atomic physics experiments. The expected beam intensity is up to 105 ions per shot. To optimize phase and amplitude of the RF systems intensity, bunch length and kinetic energy of the particles need to be monitored. The bunch length that we need to fit is about 2 ns, which is typically measured by capacitive pickups. However, they do not work for the low beam intensities that we face. We investigated the bunch length with a fast CVD diamond detector working in single particle counting mode. Averaging over 8 shots yields a clear, regular picture of the bunched beam. Energy measurements by capacitive pickups are limited by the presence of intense primary and partially decelerated beam and hence make tuning of the IH-structure impossible. The energy of the decelerated fraction of the beam behind the first deceleration cavity was determined to about 10 % accuracy with a permanent dipole magnet combined with a MCP. Better detector calibration should help reaching the required 1%. Design of the detectors as well as the results of the measurements will be presented.
Ziel der durchgeführten Experimente dieser Arbeit war es, den Versuch zu unternehmen, Cooper-Paare als Träger des supraleitenden Stroms direkt mit Hilfe des Photoelektrischen Effektes nachzuweisen. Die Methode der koinzidenten Photoelektronenspektroskopie zielt dabei auf den Nachweis von zwei kohärent emittierten Elektronen durch die Wechselwirkung mit einem Photon ab. Da elektrostatische Analysatoren typischerweise nur einen sehr kleinen Raumwinkel erfassen, was mit sehr geringen Koinzidenzraten einhergeht, ist im Zusammenhang mit dieser Arbeit ein Flugzeitprojektionssystem entwickelt worden, welches nahezu den gesamten Raumwinkel auf einem ortsauflösenden Detektor abbildet. Die zur Messung erforderliche gepulste Lichtquelle in Form von spezieller Synchrotronstrahlung ist so schwach eingestellt worden, daß nur vereinzelt Photonen auf die Probe gelangen konnten. Spektroskopiert wurde neben Testmessungen an Silberschichten sowohl ein Blei-Einkristall als Vertreter der klassischen BCS-Supraleiter als auch einkristallines Bi2Sr2CaCu2O8 aus der Gattung der Hochtemperatursupraleiter. Mit Anregungsenergien bis 40 eV konnte gezeigt werden, daß hinreichend glatte und saubere Oberflächen in der supraleitenden Phase innerhalb des Auflösevermögens von ungefähr 0.5 eV keine erkennbaren, signifikanten Unterschiede im Vergleich zur normalleitenden Phase aufweisen. Neben diesen Untersuchungen ist weiterhin ausführlich die einfache Photoemission an den verschiedenen Proben und insbesondere im Falle des Bleikristalls behandelt, da hier keine vergleichbaren Resultate bekannt sind. Dabei wird der gesamte Impulsraum besprochen und die Fermi-Fläche als dreidimensionales Modell erstellt, mit dessen Hilfe die Meßergebnisse diskutiert werden. In den theoretischen Beschreibungen sind verschiedene Modelle zur Cooper-Paar-Emission vorgestellt, wobei beispielsweise dem Impulsaustausch mit dem Kristall eine besondere Rolle beigemessen wird, da dieser bei direkten Anregungen nur über diskrete Gittervektoren erfolgen kann.
Durch Messen der vollständigen Impulsvektoren beider Coulomb-explodierender, einfachgeladener Fragmente eines doppelionisierten, diatomaren, homonuklearen Moleküls (H2, N2, O2) können verschiedene Ionisationsprozesse identifiziert werden. Bei der sogenannten COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroskopy (COLTRIMS) wird ein überschall Gasjet mit ultrakurzen, hochintensiven Laserpulsen penetriert. Aus den gemessenen Fragmentimpulsen kann die freigesetzte kinetische Energie, sowie die ursprüngliche Lage der Molekülachse im Laborsystem berechnet werden, woraus winkelabhängige Explosionswahrscheinlichkeiten abgeleitet werden können, die unter bestimmten Bedingungen die orbitale Symmetrie der Moleküle wiederspiegeln. Unter Benutzung verschiedener Pulslängen des Lasers (35 fs und 8 fs) und Variation der Polarisation (linear, zirkular) koennen Ionisationsmechanismen wie rescattering oder sequentielle Ionisation identifiziert werden.
Für das Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI), in Darmstadt, wurde ein neuer RFQ zur Beschleunigung schwerer Ionen für den Hochladungsinjektor (HLI) entwickelt. Dieser RFQ hat den bereits vorhandenen ersetzt und soll, für die Anpassung des HLI an die neue 28 GHz-ECR-Ionenquelle, den Duty-cycle von 25 % auf 100 % erhöhen, um superschwere Ionen zu erzeugen und die Experimente mit schweren Ionen zu versorgen. Der RFQ hat die Aufgabe schwere, hochgeladene Ionen von 4 keV/u auf 300 keV/u zu beschleunigen. Wichtige Eigenschaften sind ein hoher Strahlstrom, eine hohe Strahl-Transmission, eine kleine Strahlemittanz und eine geringe transversale Emittanzzunahme. Die Erhöhung der Injektionsenergie von 2,5 keV/u auf 4 keV/u ermöglicht eine Verkleinerung des Konvergenzwinkels. Der Aufbau des 4-Rod-RFQs für den HLI ist Thema der vorliegenden Arbeit. Die Auslegung des HLI-RFQs bezieht sich auf ein festgelegtes max. Masse zu Ladungsverhältnis von A/q = 6, bei einer Betriebsfrequenz von 108,408 MHz. Die Ionen sollen bei einem Strahlstrom von 5 mA von 4 keV/u auf 300 keV/u beschleunigt werden. Durch die spezielle teilchendynamische Auslegung konnte die Länge des Tanks von vorher 3 m auf jetzt 2 m verkürzt werden. Dies begünstigt den CW-Betrieb der Struktur. Durch den CW-Betrieb hat man eine hohe Leistungsaufnahme, dies erfordert eine besondere teilchendynamische und hochfrequenztechnische Auslegung der RFQ-Struktur und eine effiziente Kühlung. Zur Simulation der Hochfrequenzeigenschaften wurde ein Modell des RFQ mit dem Programm Microwave Studio (MWS) erstellt. Die Simulationen ergaben einen nur 2 m langen RFQ mit sehr hoher Transmission > 95%. Nach den entsprechenden Simulationsrechnungen bezüglich der Teilchendynamik und der Hochfrequenzeigenschaften wurde der RFQ aufgebaut. Der zeitaufwändige Aufbau lässt sich in drei Abschnitte einteilen. Die Elektroden wurden präzise ausgemessen. Danach wurden Stützen, Elektroden und Tuningplatten an der Bodenplatte montiert und in den Tank eingesetzt. Im Tank wurden die Elektroden justiert, die zuerst außerhalb vermessen wurden. Die korrekte Position der Elektroden zur Referenzfläche wurde berechnet und mit Hilfe eines Faro-Gage im Tank eingemessen. Die maximale Abweichung der Elektrodenposition konnte auf 0,03 mm reduziert werden. Nach der mechanischen Einrichtung folgte die HF-Anpassung des Resonators. Durch das Erhöhen der Tuningplattenpositionen zwischen den Stützen konnte die Resonanzfrequenz von 90,8 MHz auf 108,4 MHz erhöht werden. Als nächstes wurde die Spannungsverteilung im Tank gemessen und mit Hilfe der Tuningplatten konnte sie so eingestellt werden, dass die maximale Abweichung zur mittleren Elektrodenspannung bei nur ± 2% liegt. Zur weiteren Hochfrequenzabstimmung wurde die Wirkung zweier Tauchkolben mit einem Durchmesser von 75 mm untersucht. Die Tauchkolben ermöglichen eine Anpassung der Frequenz im Bereich von 1,4 MHz. Sie sollen die möglichen Frequenzverschiebungen durch beispielsweise thermische Effekte, auf Grund des HF-Betriebs, regulieren. Für die Hochfrequenzabstimmung wurde eine Ankoppelschleife gefertigt und angepasst. Die Güte des Resonators betrug Q0 = 3100, bei einem RP-Wert RP = 100 kΩm, d.h. die zur Versorgung stehende HF-Leistung (50 kW im CW-Betrieb) reicht aus. An der GSI wurde nach dem Transport eine Kontrolle der Elektroden vorgenommen, danach wurde der RFQ erst einzeln, danach als komplette HLI Einheit getestet. Dazu wurden verschiedene Pulsmessungen und Emittanzmessungen mit Argon 7+ und Argon 8+ durchgeführt. Bei der ersten Strahlinbetriebnahme wurden die Transmission, die Ionenenergie und die Emittanz mit verschiedenen Ionen gemessen. Die ersten Tests des HLI-RFQ waren sehr vielversprechend. In den Tests war zu sehen, dass die vorgenommenen Arbeiten, wie Justage und HF-Abstimmung der Resonanzstruktur, erfolgreich waren. Danach wurde der Strahlbetrieb mit Calcium, bei einer Leistung von 50 kW, durchgeführt. Die gemessene Transmission bei einer Spannung von 43 kV lag bei 70 %. Im Mai 2010 gab es eine 14Stickstoff2+ -Strahlzeit mit einer gepulsten Leistung von N = 90 kW. Danach wurde Anpassungstests mit verschiedenen Schwerionen durchgeführt. Im November 2010 wurden neue Tuningplatten mit einer besseren Stützenkontaktierung sowie einer besseren Kühlung eingebaut. Die Elektroden wurden nach diesen Maßnahmen auf ± 0,04 mm einjustiert. Die Flatness liegt bei ± 2,1 %, die Güte beträgt Q0 = 3300. Der RFQ wurde in die Beamline eingebaut und geht im Januar 2011 in Betrieb.
The theory of strong interactions — Quantum Chromodynamics (QCD) — is well-defined mathematically. However, direct applications of this theory to experiment are rather limited due to significant technical obstacles. Even some general features of QCD remain unclear to date.
Hence, phenomenological input is important and needed for practical applications, e.g. for theoretical analysis of the heavy-ion collision experiments. In this thesis the role of hadronic interactions is studied in the hadron resonance gas (HRG) model — a popular model for the confined phase of QCD. The description of hadronic interactions is based on the famous van der Waals (VDW) equation and its quantum statistical generalization. While this is not the conventional choice for nuclear/hadronic physicspplications, the simplicity of the VDW approach makes it extremely useful.
In particular, this framework allows to include the two most basic ingredients of hadron-hadron interaction: the short-range repulsion, modeled by excluded-volume (EV) corrections, and the intermediate range attraction. The first part of the thesis considers just the repulsive EV interactions between hadrons. A hitherto unknown, but surprisingly strong sensitivity of the long known thermal fits to heavy-ion hadron yield data to the choice of hadron eigenvolumes is uncovered. It challenges the robustness of the chemical freeze-out temperature and baryochemical potential determination from the thermal fits. However, at the same time, the extracted value of the entropy per baryon is found to be a robust observable which depends weakly on this systematic uncertainty of the HRG model.
A Monte Carlo procedure to treat EV interactions in HRG is also introduced in this thesis. It allows to study simultaneous effects of EV and of exact charge conservation in HRG for the first time. Generalizations of the classical VDW equation are required for its applications in hadronic physics. he grand canonical ensemble (GCE) formulation of the classical VDW equation is presented. Remarkably, this important aspect of the VDW equation was not discovered before. The GCE formulation yields the analytic structure of the critical fluctuations, both in the vicinity of and far off the critical point. These critical fluctuations are presently actively being used as probes for the QCD critical point. Another extension is the hitherto undiscovered generalization of the VDW equation to include quantum Bose-Einstein and Fermi-Dirac statistics. It is performed for both single-component and multi-component fluids. The Fermi-Dirac VDW equation is applied for the first time. It is used to describe nucleons and basic properties of nuclear matter. The quantum statistical generalization of the VDW equation developed in this work is quite general, and can be applied for any fluid. Thus, its applications are not restricted to QCD physics, but may also find themselves in chemistry and/or industry. The quantum statistical VDW equation is used to describe baryonic interactions in full HRG. The VDW parameters $a$ and $b$ are fixed to the nuclear ground state and the predictions of the model are confronted with lattice QCD calculations. The inclusion of baryonic interactions leads to a qualitatively different behavior of the fluctuations of conserved charges in the crossover region. In many cases it resembles the lattice data. These results suggest that hadrons do not melt quickly with increasing temperature, as one could conclude on the basis of the common simple ideal HRG model. Calculations at finite chemical potentials show that the nuclear liquid-gas transition manifests itself by non-trivial fluctuations of the net baryon number in heavy ion collisions. In the final part of the thesis the pure glue initial scenario for high-energy hadron and heavy-ion collisions is explored. This scenario is shown not to spoil the existing agreement of the hadronic and electromagnetic observables description in Pb+Pb collisions at energies available at the CERN Large Hadron Collider. Hydrodynamic calculations suggest that collisions of small-sized nuclei at lower collision energies available at the BNL Relativistic Heavy Ion Collider are promising in the search for the traces of the chemically non-equilibrium gluon-dominated phase transition.
The quantum van der Waals (QvdW) extension of the ideal hadron resonance gas (HRG) model which includes the attractive and repulsive interactions between baryons – the QvdW-HRG model – is applied to study the behavior of the baryon number related susceptibilities in the crossover temperature region. Inclusion of the QvdW interactions leads to a qualitatively different behavior of susceptibilities, in many cases resembling lattice QCD simulations. It is shown that for some observables, in particular for χBQ11/χB2, effects of the QvdW interactions essentially cancel out. It is found that the inclusion of the finite resonance widths leads to an improved description of χB2, but it also leads to a worse description of χBQ11/χB2, as compared to the lattice data. On the other hand, inclusion of the extra, unconfirmed baryons into the hadron list leads to a simultaneous improvement in the description of both observables.
We investigate the possible formation of a Bose-Einstein condensed phase of pions in the early Universe at nonvanishing values of lepton flavor asymmetries. A hadron resonance gas model with pion interactions, based on first-principle lattice QCD simulations at nonzero isospin density, is used to evaluate cosmic trajectories at various values of electron, muon, and tau lepton asymmetries that satisfy the available constraints on the total lepton asymmetry. The cosmic trajectory can pass through the pion condensed phase if the combined electron and muon asymmetry is sufficiently large: |le+lμ|≳0.1, with little sensitivity to the difference le−lμ between the individual flavor asymmetries. Future constraints on the values of the individual lepton flavor asymmetries will thus be able to either confirm or rule out the condensation of pions during the cosmic QCD epoch. We demonstrate that the pion condensed phase leaves an imprint both on the spectrum of primordial gravitational waves and on the mass distribution of primordial black holes at the QCD scale, e.g., the black hole binary of recent LIGO event GW190521 can be formed in that phase.
We estimate the feeddown contributions from decays of unstable A=4 and A=5 nuclei to the final yields of protons, deuterons, tritons, 3He, and 4He produced in relativistic heavy-ion collisions at sNN>2.4 GeV, using the statistical model. The feeddown contribution effects do not exceed 5% at LHC and top RHIC energies due to the large penalty factors involved, but are substantial at intermediate collision energies. We observe large feeddown contributions for tritons, 3He, and 4He at sNN≲10 GeV, where they may account for as much as 70% of the final yield at the lower end of the collision energies considered. Sizable (>10%) effects for deuteron yields are observed at sNN≲4 GeV. The results suggest that the excited nuclei feeddown cannot be neglected in the ongoing and future analysis of light nuclei production at intermediate collision energies, including HADES and CBM experiments at FAIR, NICA at JINR, RHIC beam energy scan and fixed-target programmes, and NA61/SHINE at CERN. We further show that the freeze-out curve in the T-μB plane itself is affected significantly by the light nuclei at high baryochemical potential.
The statistical model with exact conservation of baryon number, electric charge, and strangeness – the Canonical Statistical Model (CSM) – is used to analyze the dependence of yields of light nuclei at midrapidity on charged pion multiplicity at the LHC. The CSM calculations are performed assuming baryon-symmetric matter, using the recently developed Thermal-FIST package. The light nuclei-to-proton yield ratios show a monotonic increase with charged pion multiplicity, with a saturation at the corresponding grand-canonical values in the high-multiplicity limit, in good qualitative agreement with the experimental data measured by the ALICE collaboration in pp and Pb–Pb collisions at different centralities and energies. Comparison with experimental data at low multiplicities shows that exact conservation of charges across more than one unit of rapidity and/or a chemical freeze-out temperature which decreases with the charged pion multiplicity improves agreement with the data.
The production of light (anti-)(hyper-)nuclei in heavy-ion collisions at the LHC is considered in the framework of the Saha equation, making use of the analogy between the evolution of the early universe after the Big Bang and that of “Little Bangs” created in the lab. Assuming that disintegration and regeneration reactions involving light nuclei proceed in relative chemical equilibrium after the chemical freeze-out of hadrons, their abundances are determined through the famous cosmological Saha equation of primordial nucleosynthesis and show no exponential dependence on the temperature typical for the thermal model. A quantitative analysis, performed using the hadron resonance gas model in partial chemical equilibrium, shows agreement with experimental data of the ALICE collaboration on d, 3He, HΛ3, and 4He yields for a very broad range of temperatures at T≲155 MeV. The presented picture is supported by the observed suppression of resonance yields in central Pb–Pb collisions at the LHC. Keywords: Light (anti-)(hyper-)nuclei production, Saha equation, Partial chemical equilibrium.
We develop a framework to relate proton number cumulants measured in heavy-ion collisions within a momentum space acceptance to the susceptibilities of baryon number, assuming that particles are emitted from a fireball with uniform distribution of temperature and baryochemical potential, superimposed on a hydrodynamic flow velocity profile. The rapidity acceptance dependence of proton cumulants measured by the HADES Collaboration in √sNN = 2.4 GeV Au-Au appears to be consistent with thermal emission of nucleons from a grand-canonical heat bath, with the extracted baryon number susceptibilities exhibiting an hierarchy χB 4 >> −χB 3 >> χB 2 >> χB 1 . Naively, this could indicate large nonGaussian fluctuations that might point to the presence of the QCD critical point close to the chemical freeze-out at T ∼ 70 MeV and μB ∼ 850 − 900 MeV. However, the description of the experimental data at large rapidity acceptances becomes challenging once the effect of exact baryon number conservation is incorporated, suggesting that more theoretical and experimental studies are needed to reach a firm conclusion.
The centrality dependence of the p/π ratio measured by the ALICE Collaboration in 5.02 TeV Pb-Pb collisions indicates a statistically significant suppression with the increase of the charged particle multiplicity once the centrality-correlated part of the systematic uncertainty is eliminated from the data. We argue that this behavior can be attributed to baryon annihilation in the hadronic phase. By implementing the BB¯↔5π reaction within a generalized partial chemical equilibrium framework, we estimate the annihilation freeze-out temperature at different centralities, which decreases with increasing charged particle multiplicity and yields Tann=132±5 MeV in 0-5% most central collisions. This value is considerably below the hadronization temperature of Thad∼160 MeV but above the thermal (kinetic) freeze-out temperature of Tkin∼100 MeV. Baryon annihilation reactions thus remain relevant in the initial stage of the hadronic phase but freeze out before (pseudo-)elastic hadronic scatterings. One experimentally testable consequence of this picture is a suppression of various light nuclei to proton ratios in central collisions of heavy ions.
We analyze the behavior of cumulants of conserved charges in a subvolume of a thermal system with exact global conservation laws by extending a recently developed subensemble acceptance method (SAM) [1] to multiple conserved charges. Explicit expressions for all diagonal and off-diagonal cumulants up to sixth order that relate them to the grand canonical susceptibilities are obtained. The derivation is presented for an arbitrary equation of state with an arbitrary number of different conserved charges. The global conservation effects cancel out in any ratio of two second order cumulants, in any ratio of two third order cumulants, as well as in a ratio of strongly intensive measures Σ and ∆ involving any two conserved charges, making all these quantities particularly suitable for theory-to-experiment comparisons in heavy-ion collisions. We also show that the same cancellation occurs in correlators of a conserved charge, like the electric charge, with any non-conserved quantity such as net proton or net kaon number. The main results of the SAM are illustrated in the framework of the hadron resonance gas model. We also elucidate how net-proton and net-Λ fluctuations are affected by conservation of electric charge and strangeness in addition to baryon number.
The first principle lattice QCD methods allow to calculate the thermodynamic observables at finite temperature and imaginary chemical potential. These can be compared to the predictions of various phenomenological models. We argue that Fourier coefficients with respect to imaginary baryochemical potential are sensitive to modeling of baryonic interactions. As a first application of this sensitivity, we consider the hadron resonance gas (HRG) model with repulsive baryonic interactions, which are modeled by means of the excluded volume correction. The Fourier coefficients of the imaginary part of the netbaryon density at imaginary baryochemical potential – corresponding to the fugacity or virial expansion at real chemical potential – are calculated within this model, and compared with the Nt = 12 lattice data. The lattice QCD behavior of the first four Fourier coefficients up to T 185 MeV is described fairly well by an interacting HRG with a single baryon–baryon eigenvolume interaction parameter b 1 fm3, while the available lattice data on the difference χB 2 − χB 4 of baryon number susceptibilities is reproduced up to T 175 MeV.
We derive the relation between cumulants of a conserved charge measured in a subvolume of a thermal system and the corresponding grand-canonical susceptibilities, taking into account exact global conservation of that charge. The derivation is presented for an arbitrary equation of state, with the assumption that the subvolume is sufficiently large to be close to the thermodynamic limit. Our framework – the subensemble acceptance method (SAM) – quantifies the effect of global conservation laws and is an important step toward a direct comparison between cumulants of conserved charges measured in central heavy ion collisions and theoretical calculations of grand-canonical susceptibilities, such as lattice QCD. As an example, we apply our formalism to net-baryon fluctuations at vanishing baryon chemical potentials as encountered in collisions at the LHC and RHIC.
The QCD equation of state at finite baryon density is studied in the framework of a Cluster Expansion Model (CEM), which is based on the fugacity expansion of the net baryon density. The CEM uses the two leading Fourier coefficients, obtained from lattice simulations at imaginary μB, as the only model input and permits a closed analytic form. Excellent description of the available lattice data at both μB = 0 and at imaginary μB is obtained. We also demonstrate how the Fourier coefficients can be reconstructed from baryon number susceptibilities.
The conducting properties in the basal ab plane of pure and Al-doped YBa2Cu3O7-γ single crystals before and after long-time exposure in air atmosphere are investigated. It is shown that prolonged aging leads to an increase of the density of effective scattering centers for the normal carriers. The aluminum doping has been revealed to partially slowdown the degradation of the conducting properties in process of aging. The excess conductivity, Δδ(T), has been found to obey exponential dependence in the broad temperature range Tc<T<T*. In the pseudogap regime, the mean-field transition temperature and the 3D-2D crossover point in the excess conductivity have been quantified. Near the critical temperature, is described well within the Aslamazov-Larkin theoretical model. Herewith, both aluminum doping and prolonged aging have been found to essentially expand the temperature interval of implementation of the pseudogap state, thus narrowing the linear section in the dependence ρab(T).
With the discovery of light beyond human visibility, scientists strove to extend the range of observation to invisible parts of the light’s spectrum. Realising that light of all frequencies is part the same physical phenomenon, brought a leap in understanding about electromagnetic waves. With the development of more advanced technology, detectors with higher sensitivity for adjacent frequencies to the visible were built. From this, with each new observable wavelength, more insight into otherwise invisible processes and phenomenons were observed. Hand in hand with this went the enhancement of the output power of corresponding sources. This has lead to higher sensitivity setups throughout the spectrum, leading to observations which have given a deeper understanding in various fields of science. Nowadays, detectors and emitters in many different regions of the invisible electro magnetic spectrum have found their way in our every day life. Innovations in technology has lead to practical applications such as X-rays in medicine, motion sensors and remote controls using infrared light, distance sensors and data transmission using radar and radio devices. The frequency regions above infrared are optically generated and below radar can be produced using electric methods. There is no straight line that separates these frequencies. There rather is a whole intermediate region known as the terahertz (THz) regime. Due to the lack of sensitive detectors and efficient sources, the THz frequency region has not been exploited for application use on a widespread basis so far. It combines properties from the surrounding frequency ranges which make it an ideal spectrum for various applications. Consequently, THz radiation and THz imaging are active fields of research.
The work presented in this thesis consists of the development and testing of novel THz imaging concepts, which uses a THz antenna coupled field effect transistor (TeraFET) detector. Two detection principles are applied using two different optical setups. The first uses a pulsed optical parametric oscillator (OPO) THz source where the optical output power is detected. The source relies on a nonlinear effect of a lithium niobate crystal to generate tunable THz pulses from a Q-switched pump laser. The THz signal is detected and amplified by a double stage operational amplifier for monitoring the real time 20 ns pulses on an oscilloscope where a signal to noise ratio (SNR) of ⇠ 25 at a frequency range from 0.75 to 1.1 THz is reached. Imaging of the area of interest with a resolution of 1.2 mm is achieved through raster scanning of the THz pulses. Also spectroscopy with a frequency resolution of ⇠ 50 GHz is demonstrated using a para-aminobenzoic acid sample. The second setup utilises two synchronised electronic multiplier chain sources where their output is mixed on the detector. To form a heterodyne detection setup, the intermediate frequency is fed to a lock-in amplifier which then amplifies the so called beat signal from the TeraFET detector. One source is fixed relative to the detector even through scanning to ensure a stable signal. This detection method allows for amplitude and phase detection for every scanning position, making numerical light field propagation and object reconstruction possible. Numerical focussing is a key feature achieving a lateral resolution of the input transmittance of ⇡ 2 mm.
After the introduction, the second chapter describes the setup, measurement results and challenges which arise using a TeraFET together with the pulsed THz source “Firefly-THz”. In the description of the setup, special attention is given to the shielding of the detector and the electronics. General findings discuss first the overall performance and later spectroscopy and imaging as application examples. Another subsection continues with potential noise sources before the chapter is concluded. Chapter three expands on the topic of Fourier optics from a theoretical point of view. First, parts of the theory of the Fourier Transform (FT) are set out for the reader and how the Fast Fourier Transform (FFT) results from the Discrete Fourier Transform (DFT). This approach is used for theoretical considerations and the implementation of a Fourier optic script that allows for numerical investigations on electro magnetic field propagation through an optical system. The boundary conditions are chosen to be practical relevant to make predictions on measurements presented in chapter four. The following fourth chapter describes the realisation of a heterodyne THz detection setup. Before the measurement results are presented, the setup and its electric configuration are shown. The results come close to the analytical predictions so that the same algorithm which propagates the field from an object to the Fourier plane is used to propagate the measured field back to the object. The influence of phase noise on the measurement results are discussed before simulation and measurement is compared. The last chapter in this thesis concludes on the findings in the pulsed THz detection and the heterodyne THz Fourier imaging and gives an outlook for both configurations.
Starting from IP-Glasma initial conditions, we investigate the effects of bulk pressure on low mass dilepton production at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) and the Large Hadron Collider (LHC) energies. Though thermal dilepton is affected by the presence of both bulk and shear viscosity, whether or not these effects can be measured depends on the dilepton “cocktail” contribution to the the low mass dilepton . Combining the thermal and “cocktail” dileptons, the effects of bulk viscosity on total dilepton is investigated.
Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschreibt nach aktuellem Kenntnisstand die Entstehung, den Aufbau und das Verhalten der Materie in unserem Universum am erfolgreichsten. Dennoch gibt es einige Phänomene, die sich nicht in dessen Rahmen beschreiben lassen, wie z. B. die Existenz von dunkler Materie und Energie, nicht-verschwindende Neutrinomassen oder die Baryonenasymmetrie. Speziell im Hinblick auf die starke Wechselwirkung, welche im Standardmodell durch die Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben wird, gibt es noch immer viele offene Fragen.
Eine Umgebung, in der man die QCD experimentell ergründen kann, bieten vor allem Schwerionenkollisionen, die insbesondere am Large Hadron Collider (LHC) oder am Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) durchgeführt werden.
In dieser Arbeit soll ein Beitrag von theoretischer Seite aus hinsichtlich eines besseren Verständnisses dieser Schwerionenkollisionen und der zugrundeliegenden QCD erbracht werden. Der Fokus liegt dabei auf dem Isotropisierungsprozess unmittelbar nach der Kollision der beiden Kerne.
Neben etlichen effektiven Theorien, die sehr gute Ergebnisse in den entsprechenden Grenzbereichen liefern, ist die Beschreibung der QCD im Rahmen der Gittereichtheorie (Gitter-QCD) die am meisten etablierte. Diese beinhaltet in den meisten Fällen einen Übergang zur euklidischen Raumzeit, da somit ein Auswerten der hochdimensionalen Pfadintegrale mithilfe von Monte-Carlo-Simulation basierend auf dem sogenannten Importance Sampling ermöglicht wird. Aufgrund der Komplexwertigkeit der euklidischen Zeitkomponente ist man jedoch an das Studieren von statischen Observablen gebunden. Da wir aber gerade an einer Zeitentwicklung des Systems interessiert sind, sehen wir von dem Übergang zur euklidischen Raumzeit ab, was den Namen “real-time” im Titel der Arbeit erklärt.
Wir folgen dem sogenannten Hamilton-Ansatz und leiten damit Feldgleichungen in Form von partiellen Differentialgleichungen her, die wir dann mit den Methoden der Gitter-QCD numerisch lösen. Dabei bedienen wir uns der effektive Theorie des Farb-Glas-Kondensats (CGC, aus dem Englischen: “Color Glass Condensate”), um geeignete Anfangsbedingungen zu erhalten. Genauer gesagt basieren unsere Gitter-Anfangsbedingungen auf dem McLerran-Venugopalan-Modell (MV-Modell), das eine klassische Approximation in niedrigster Ordnung darstellt und nur Beiträge rein gluonischer Felder berücksichtigt.
Die klassische Näherung sowie das Vernachlässigen der fermionischen Felder wird insbesondere mit den hohen Besetzungszahlen der Feldmoden begründet. Einerseits dominieren Infrarot-Effekte, welche klassischer Natur sind, und andererseits ist dadurch der Einfluss der Fermionen, die dem Pauli-Prinzip gehorchen, unterdrückt. Gerade bei letzterer Aussage fehlt es jedoch an numerischen Belegen. Wir erweitern daher die klassische MV-Beschreibung durch stochastische Gitter-Fermionen, um diesem Punkt nachzugehen. Da sich Fermionen nicht klassisch beschreiben lassen, spricht man hierbei oft von einem semi-klassischen Ansatz.
Eines der Hauptziele dieser Arbeit liegt darin, den Isotropisierungsprozess, der bislang noch viele Fragen aufwirft, aber unter anderem Voraussetzung für das Anwenden von hydrodynamischen Modellen ist, zu studieren. Wir legen dabei einen besonderen Fokus auf die systematische Untersuchung der verschiedenen Parameter, die durch die CGC-Anfangsbedingungen in unsere Beschreibung einfließen, und deren Auswirkungen auf etwa die Gesamtenergiedichte des Systems oder die zugehörigen Isotropisierungszeiten. Währenddessen überprüfen wir zudem den Einfluss von unphysikalischen Gitter-Artefakten und präsentieren eine eichinvariante Methode zur Analyse der Güte unserer klassischen Näherung. Die Zeitentwicklung des Systems betrachten wir dabei sowohl in einer statischen Box als auch in einem expandierenden Medium, wobei Letzteres durch sogenannte comoving Koordinaten beschrieben wird. Zudem liefern wir einen Vergleich von der realistischen SU(3)-Eichgruppe und der rechentechnisch ökonomischeren SU(2)-Eichgruppe.
Mit unseren numerischen Ergebnissen zeigen wir, dass das System hochempfindlich auf die verschiedenen Modellparameter reagiert, was das Treffen quantitativer Aussagen in dieser Formulierung deutlich erschwert, insbesondere da einige dieser Parameter rein technischer Natur sind und somit keine zugehörigen physikalisch motivierten Größen, die den Definitionsbereich einschränken könnten, vorhanden sind. Es ist jedoch möglich, die Anzahl der freien Parameter zu reduzieren, indem man ihren Einfluss auf die Gesamtenergie des Systems analysiert und sich diesen zunutze macht. Dadurch gelingt es uns mithilfe von Konturdiagrammen einige Abhängigkeiten zu definieren und somit die Unbestimmtheit des Systems einzuschränken. Des Weiteren finden wir dynamisch generierte Filamentierungen in der Ortsdarstellung der Energiedichte, die ein starkes Indiz für die Präsenz von sogenannten chromo-Weibel-Instabilitäten sind. Unsere Studie des fermionischen Einflusses auf den Isotropisierungsprozess des CGC-Systems weist auf, dass dieser bei kleiner Kopplung vernachlässigbar ist. Bei hinreichend großen Werten für die Kopplungskonstante sehen wir allerdings einen starken Effekt hinsichtlich der Isotropisierungszeiten, was ein bemerkenswertes Resultat ist.
In der vorliegenden Arbeit wird die Gestaltung eines Teststandes für die optische Tomographie eines Ionenstrahles untersucht. Nachdem Ionenstrahlen hoher Intensität immer mehr Leistung in den Diagnosegeräten deponieren, müssen neue nicht Strahlzerstörende Diagnosemethoden gefunden werden. Die Diagnose mittels strahlinduziertem Restgasleuchten ist dabei eine viel versprechende nicht zerstörende Methode. Neben der Definition der Anforderungen für einen solchen Teststand werden verschiedene Realisierungsmöglichkeiten untersucht. Mit einem Testaufbau wird das strahlinduzierte Leuchten in Abhängigkeit verschiedener Restgase und Restgasdrücke untersucht, sowie die Eigenschaften des optischen Systems und der Kamera analysiert. Weiterhin wird die Möglichkeit der Emittanzbestimung aus einer optischen Aufnahme mit vorhandenen Methoden untersucht.
A test stand for optical beam tomography was developed. As a new non-destructive beam-diagnostic system for high current ion beams, the test stand will be installed in the low energy beam transport section (LEBT) of the Frankfurt Neutron Source (FRANZ) behind the chopper system. The test stand consists of a rotatable vacuum chamber with a mounted CCD camera. The maximum rotation angle amounts to 270°. In a first phase the optical beam profile measurement and 3D density reconstruction is tested with a time independent 10 keV He beam. The measurements and performance of data processing algorithms are compared with the beam transport simulations. In a later phase the performance with time dependent beams (120 keV, 200 mA) at a repetition rate of 250 kHz and a duty cycle of 2.5% has to be evaluated. An overview of the first phase results is shown.
This thesis provides a detailed derivation of dissipative spin hydrodynamics from quantum field theory for systems composed of spin-0, spin-1/2, or spin-1 particles.
The Wigner function formalism is introduced for quantum fields in the respective representations of the Poincaré group, and the conserved currents, i.e., the energy-momentum tensor and the total angular momentum tensor, in various so-called pseudogauges are derived. An expansion around the semiclassical limit in powers of the Planck constant is performed.
Subsequently, kinetic equations are obtained for binary elastic scattering, using both the de Groot-van Leeuwen-van Weert and Kadanoff-Baym method, with the latter retaining the effect of quantum statistics. The resulting collision term features both local and nonlocal contributions, with the latter providing a relaxation mechanism for the spin degrees of freedom of the quasiparticles. The local-equilibrium distribution function is derived from the requirement that the local part of the collision term vanishes.
From quantum kinetic theory, dissipative spin hydrodynamics is then constructed via the method of moments, extended to particles with spin. The system of moment equations is closed via the Inverse-Reynolds Dominance (IReD) approach, resulting in a set of equations of motion describing the evolution of both ideal and dissipative degrees of freedom. The application to polarization phenomena relevant to heavy-ion collisions is discussed.
The pseudoparticle approach is a numericalmethod to compute path integrals without discretizing spacetime. The basic idea is to consider only those field configurations, which can be represented as a linear superposition of a small number of localized building blocks (pseudoparticles), and to replace the functional integration by an integration over the pseudoparticle degrees of freedom. In previous papers we have successfully applied the pseudoparticle approach to SU(2) Yang-Mills theory. In this work we discuss the inclusion of fermionic fields in the pseudoparticle approach. To test our method, we compute the phase diagram of the 1+1-dimensional Gross-Neveu model in the large-N limit as well as the chiral condensate in the crystal phase.
The isospin, spin and parity dependent potential of a pair of static-light mesons is computed using Wilson twisted mass lattice QCD with two flavors of degenerate dynamical quarks. From the results a simple rule can be deduced stating, which isospin, spin and parity combinations correspond to attractive and which to repulsive forces.
We study the light scalar mesons a_0(980) and kappa using N_f = 2+1+1 flavor lattice QCD. In order to probe the internal structure of these scalar mesons, and in particular to identify, whether a sizeable tetraquark component is present, we use a large set of operators, including diquark-antidiquark, mesonic molecule and two-meson operators. The inclusion of disconnected diagrams, which are technically rather challenging, but which would allow us to extend our work to e.g. the f_0(980) meson, is introduced and discussed.
We present first results of a recently started lattice QCD investigation of antiheavy-antiheavy-light-light tetraquark systems including scattering interpolating operators in correlation functions both at the source and at the sink. In particular, we discuss the importance of such scattering interpolating operators for a precise computation of the low-lying energy levels. We focus on the b¯b¯ud four-quark system with quantum numbers I(JP)=0(1+), which has a ground state below the lowest meson-meson threshold. We carry out a scattering analysis using Lüscher's method to extrapolate the binding energy of the corresponding QCD-stable tetraquark to infinite spatial volume. Our calculation uses clover u, d valence quarks and NRQCD b valence quarks on gauge-link ensembles with HISQ sea quarks that were generated by the MILC collaboration.
We present a numerical technique for calculating path integrals in non-compact U(1) and SU(2) gauge theories. The gauge fields are represented by a superposition of pseudoparticles of various types with their amplitudes and color orientations as degrees of freedom. Applied to Maxwell theory this technique results in a potential which is in excellent agreement with the Coulomb potential. For SU(2) Yang-Mills theory the same technique yields clear evidence of confinement. Varying the coupling constant exhibits the same scaling behavior for the string tension, the topological susceptibility and the critical temperature while their dimensionless ratios are similar to those obtained in lattice calculations.
We compute the static-light baryon spectrum with Nf = 2 flavors of sea quarks using Wilson twisted mass lattice QCD. As light valence quarks we consider quarks, which have the same mass as the sea quarks with corresponding pion masses in the range 340MeV<∼ mPS<∼ 525MeV, as well as partially quenched quarks, which have the mass of the physical s quark. We extract masses of states with isospin I = 0,1/2,1, with strangeness S = 0,−1,−2, with angular momentum of the light degrees of freedom j = 0,1 and with parity P = +,−. We present a preliminary extrapolation in the light u/d and an interpolation in the heavy b quark mass to the physical point and compare with available experimental results.
Using the eigenchannel reaction theory we performed coupled-channel calculations for Si28 and computed the differential cross section for Al27(p, γ0)Si28 over the energy range 6 MeV<Ep <16 MeV. The obtained angular distributions are nearly constant over the whole energy range and agree with the experiment in that they are almost isotropic. Thus, it seems that in this framework we can give a natural explanation for the peculiar behavior of the Al27(p, γ0)Si28 cross section.
The total particle-particle SJ matrix of O16 for spin J=1- and excitation energies between 15 and 27 MeV has been calculated in the eigenchannel reaction theory for several parameters of the Saxon-Woods potential and the two-body force. The many-body problem has been treated in the 1-particle-1-hole approximation. The photon channels have been included by perturbation theory. Surprisingly, the most important structure of the experimental cross sections is reproduced quite well in this simple approximation.
Die vorliegende Arbeit präsentiert die wissenschaftlichen Erkenntnisse, welche im Rahmen dreier verschiedener Messreihen gewonnen wurden. Kernthema ist in allen Fällen die Ionisation von molekularem Wasserstoff mit Photonen.
Im Rahmen der Messung sollte eine 2014 veröffentlichte Vorhersage der theoretischen Physiker Vladislav V. Serov und Anatoli S. Kheifets im Experiment überprüft werden. Ihren Berechnungen zufolge kann ein sich langsam vom Wasserstoff Molekülion entfernendes Photoelektron durch sein elektrisches Feld das Mutterion polarisieren und dafür sorgen, dass beim anschließenden Aufbruch in ein Proton und ein Wasserstoffatom eine asymmetrische Emissionswinkelverteilung zu beobachten ist [SK14]. Diese Vorhersage konnte mit den Ergebnissen der hier vorgestellten Messung zweifelsfrei untermauert werden. Für drei verschiedene Photonenenergien, welche im relevanten Reaktionskanal Photoelektronenenergien von 1, 2 und 3 eV entsprechen, wurden die prognostizierten Symmetrien in den Messdaten herauspräpariert. Es zeigte sich, dass diese sowohl in qualitativer wie auch in quantitativer Hinsicht gut bis sehr gut mit den Vorhersagen übereinstimmen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde erneut die Dissoziationsreaktion, allerdings bei deutlich höheren Photonenenergien, untersucht. Ziel war es, den in Zusammenarbeit mit den Physikern um Fernando Martin gelungenen theoretischen Nachweis der Möglichkeit einer direkten Abbildung von elektronischen Wellenfunktionen auch im Experiment zu vollziehen. Der überwiegende Teil aller Veröffentlichungen im Vorfeld dieser Messung fokussierte sich bei den Untersuchungen der Wellenfunktion entweder auf die rein elektronischen Korrelationen - so zum Beispiel in Experimenten zur Ein-Photon-Doppelionisation, wo Korrelationen zwischen beiden beteiligten Elektronen den Prozess überhaupt erst möglich machen - oder aber auf den Einfluss, welchen das Molekülpotential auf das emittierte Elektron ausübt. Die wenigen Arbeiten, die sich bis heute an einer unmittelbaren Abbildung elektronischer Wellenfunktionen versuchten, gingen meist den im Vergleich zu dieser Arbeit umgekehrten Weg: Man untersuchte hier das Licht höherer Harmonischer, wie sie bei der lasergetriebenen Ionisation und anschließenden Rekombination eines Photoelektrons mit seinem Mutterion entstehen.
In dieser Arbeit wurde ein Ansatz präsentiert, der zwei überaus gängige und verbreitete Messtechniken geschickt kombiniert - Während das Photoelektron direkt nachgewiesen und seine wesentlichen Eigenschaften abgefragt werden, kann der quantenmechanische Zustand des zweiten, gebunden verbleibenden Elektrons über einen koinzident dazu geführten Nachweis des ionischen Reaktionsfragments bestimmt werden. Dieser Vorgang stützt sich wesentlich auf Berechnungen der Gruppe um Fernando Martín, welche eine Quantifizierung der Beiträge einzelner Zustande zum gesamten Wechselwirkungsquerschnitt dieser Reaktion erlauben. Diese unterscheiden sich je nach Energie der Fragmente signifikant, so dass über eine Selektion des untersuchten KER-Intervalls Kenntnis vom elektronischen Zustand des H2 +-Ions nach der Photoemission erlangt werden kann. Die experimentellen Daten unterstützen die Theorie von Martin et al. nicht nur mit verblüffend guter Übereinstimmung, die gemessenen Emissionswinkelverteilungen stehen darüber hinaus auch in sehr gutem Einklang mit ihren theoretisch berechneten Gegenstücken. Die Ergebnisse wurden zwischenzeitlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht [WBM+17].
Die dritte Messreihe innerhalb dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Photodoppelionisation von Wasserstoff. Im Rahmen des selben Experiments wie die weiter vorn beschriebene Dissoziationsmessung bei 400 eV Photonenenergie aufgenommen, belegen die Ergebnisse auf wunderbar anschauliche Art und Weise, dass die Natur in unserer Umgebung voller Prozesse ist, die ursprünglich als rein quantenmechanische Laborkonstrukte angesehen wurden. Es konnte zweifelsfrei gezeigt werden, dass die beiden Elektronen, die bei der Photodoppelionisation freigesetzt werden, als ein Quasiteilchen aufgefasst werden können. Sie befinden sich in einem verschränkten Zweiteilchenzustand, und nur eine koinzidente Messung beider Elektronen vermag es, Interferenzeffekte in ihren Impulsverteilungen sichtbar zu machen - betrachtet man beide hingegen individuell, so treten keinerlei derartige Phänomene auf. Es gelang dabei zudem, eine beispielhafte Übereinstimmung zwischen den gemessenen Daten und einer theoretischen Berechnung der Kollegen um Fernando Martín zu erreichen.
The toolbox for imaging molecules is well-equipped today. Some techniques visualize the geometrical structure, others the electron density or electron orbitals. Molecules are many-body systems for which the correlation between the constituents is decisive and the spatial and the momentum distribution of one electron depends on those of the other electrons and the nuclei. Such correlations have escaped direct observation by imaging techniques so far. Here, we implement an imaging scheme which visualizes correlations between electrons by coincident detection of the reaction fragments after high energy photofragmentation. With this technique, we examine the H2 two-electron wave function in which electron–electron correlation beyond the mean-field level is prominent. We visualize the dependence of the wave function on the internuclear distance. High energy photoelectrons are shown to be a powerful tool for molecular imaging. Our study paves the way for future time resolved correlation imaging at FELs and laser based X-ray sources.
The properties of symmetric nuclear matter are investigated in the nonlinear relativistic mean field theory of nuclear matter. We consider the constraints imposed by four nuclear ground state properties on the coupling constants and on the equation of state at zero and at finite temperature. We find that the compression constant K(ρ0) as well as the temperature is irrelevant for the stiffness of the equation of state for m*(ρ0)≤0.7. The main point is that the relativistic mean field theory exhibits acausal and unphysical behavior for compressibilities below K(ρ0)=200 MeV. Every set of coupling constants with a negative quartic coupling constant c is unstable against small quantum fluctuations.
We analyze the phase structure of the nonlinear mean-field meson theory of baryonic matter (nucleons plus delta resonances). Depending on the choice of the coupling constants, we find three physically distinct phase transitions in this theory: a nucleonic liquid-gas transition in the low temperature, Tc<20 MeV, low density, ρ≃0.5ρ0, regime, a high-temperature (T≃150 MeV) finite density transition from a gas of massive hadrons to a nearly massless baryon, antibaryon plasma, and, third, a strong phase transition from the nucleonic fluid to a resonance-dominated ‘‘delta-matter’’ isomer at ρ>2ρ0 and Tc<50 MeV. All three phase transitions are of first order. It is shown that the occurrence of these different phase transitions depends critically on the coupling constants. Since the production of pions also depends strongly on the coupling constants, it is seen that the equation of state cannot be derived unambiguously from pion data.
Die vorliegende Arbeit präsentiert Forschungsarbeiten basierend auf nanoskopischen Oberflächenmessungen an plasmonischen Metaoberflächen und zweidimensionalen Materialien, insbesondere dem halbleitenden Übergangsmetal-Dichalcogenid (TMDC) WS_2. Die Thesis ist in sieben Kapitel untergegliedert. Die Einleitung vermittelt einen Überblick über die treibenden Kräfte hinter der Forschung im Bereich der Nanophotonik an zweidimensionalen Materialsystemen. Die Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung an dünnen Materialgrenzflächen zieht sich als roter Faden durch die gesamte Arbeit.
Das zweite Kapitel beschreibt den experimentellen Aufbau, der für die Durchführung der nanoskopischen Messungen in dieser Arbeit implementiert wurde. Es werden theoretische Grundlagen, das Messprinzip und die Implementierung des optischen Rasternahfeldmikroskops (s-SNOM) skizziert. Außerdem wird ein Strom-Spannungs-Rasterkraftmikroskop (c-AFM) im Kontaktmodus genutzt, um elektrische Ströme auf mikroskopischen zweidimensionalen TMDC-Terrassen zu messen. In den darauffolgenden vier Kapiteln werden die Beiträge dieser Arbeit zur Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung auf der Nanoskala aus verschiedenen Perspektiven vorgestellt. Jedes Kapitel enthält eine kurze Einleitung, einen Theorieteil, Messdaten oder Simulationsergebnisse sowie eine Analyse; vervollständigt durch einen Schlussteil.
Die zentrale Arbeit an einer metallischen Metaoberfläche aus elliptischen Goldscheiben wird in Kapitel 3 vorgestellt. Der zugehörige Theorieteil führt in das Konzept von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPP) ein, das für den Forschungsbereich der Plasmonik im Allgemeinen wesentlich ist. Verschiedene Methoden zur Berechnung der Dispersionsrelation dieser Oberflächenmoden an ein- und mehrschichtigen Grenzflächen werden auf die untersuchte Metaoberflächenprobe angewendet. Das Modell sagt drei verschiedene Moden voraus, die sich an der Grenzfläche ausbreiten. Eine teil-gebundene ins Substrat abstrahlende Oberflächenmode sowie zwei vergrabene stark gebundene anisotrope Moden. Eine auf der Probe platzierte Nanokugel aus Silizium wird als radiale Anregungsquelle verwendet.
Der Vergleich mit s-SNOM-Nahfeldbildern zeigt, dass nur die schwach gebundene geführte Modenresonanz ausreichend angeregt wurde, um durch s-SNOM-Bildgebung nachgewiesen werden zu können. Die schwache Oberflächenbindung erklärt die scheinbar isotrope Ausbreitung auf der anisotropen Oberfläche. Die Beobachtung der verbleibenden stark eingegrenzten anisotropen vergrabenen Moden würde eine verbesserte tiefenempfindliche Auflösung des Systems erfordern, die im Prinzip für Schichtdicken von 20 nm möglich sein sollte. Darüber hinaus wirft die Beobachtung die Frage auf, ob die durch Impuls- und Modenvolumenanpassung der Nanokugel gegebene Anregungseffizienz einen ausreichenden Anregungsquerschnitt erzeugt, um nachweisbare vergrabene SPP-Moden zu erzeugen.
In Kapitel 4 wird die Idee der Visualisierung vergrabener elektrischer Felder mit s-SNOM fortgesetzt. Hier wird es auf die Untersuchung von WS_2 angewendet, einem zweidimensionalen TMDC-Material, welches Photolumineszenz zeigt. Durch die Strukturierung des Galliumphosphid-Substrats unter der hängenden Monolage, die von einer dünnen Schicht aus hBN getragen wird, wird die Photolumineszenzausbeute um den Faktor 10 erhöht. Dies wird durch den Entwurf einer lateralen DBR-Mikrokavität mit zusätzlich optimierter vertikaler Tiefe erreicht, die in das Substrat geätzt wurde.
Die hochauflösende Abbildung der elektrischen Feldverteilung im Resonator wird durch den Einsatz von s-SNOM ermöglicht, um die Verbesserung der Einkopplung durch diese beiden Ansätze zu bewerten. Es konnte festgestellt werden, dass die laterale Struktur überwiegend zur verstärkten Photolumineszenzausbeute beiträgt, während für die Einkopplung keine offensichtliche Verstärkung auf die vertikale Strukturoptimierung zurückgeführt werden konnte.
Das zweidimensionale Material WS_2 wird in Kapitel 5 erneut mit Hilfe von c-AFM untersucht. Unterschiedlich dicke Multilagen auf Graphen und Gold dienen als Tunnelbarrieren für vertikale Ströme zwischen Substrat und leitender c-AFM-Messpitze. Die Daten können mit einem Fowler-Nordheim-Modell mit Parametern für die Tunnelbreite und Schottky-Barrierenhöhen der beiden Grenzflächen erklärt werden. Die Messungen zeigen jedoch eine schwache Reproduzierbarkeit, was eine detailliertere Zusammenfassung der relevanten Fehlerquellen erfordert. In der Schlussfolgerung des Kapitels werden mehrere Schlüsselaspekte vorgeschlagen, die bei künftigen Messungen berücksichtigt werden sollten. Entscheidend ist, dass c-AFM sehr empfindlich auf die Adsorption von Wasserfilmen an der Probenoberfläche reagiert, worunter WS_2-Oberflächen unter Umgebungsbedingungen leiden...