530 Physik
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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.