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In this dissertation, we look at environmental effects in extreme and intermediate mass ratio inspirals into massive black holes. In these systems, stellar mass compact objects orbit massive black holes and lose orbital energy due to gravitational wave emission and other dissipative forces. We explore environmental interactions with dark matter spikes, stellar distributions, accretion disks, and combine and compare them. We discuss the existence and properties of dark matter spikes in the presence of these environmental effects. The signatures of the environmental effects, such as the phase space flow, dephasing, deshifting of the periapse, and alignment with accretion disks, are examined. These signatures are quantified in isolated spike systems, in dry, and in wet inspirals. We generally find dark matter effects to be subdominant to the other environmental effects, but their impact on the waveform is still observable and identifiable. Lastly, the rates of inspirals and the impact of spikes are estimated. All of these results are obtained with the help of a code imripy that is published alongside. If dark matter spikes exist, they should be observable with space-based gravitational wave observatories.
In dieser Dissertation werden die Erfahrungen mit verschiedenen Präparationsmethoden für CH-Kavitäten beschrieben, um die Leistung der Kavitäten nach der Herstellung weiter zu steigern. Die Leistung wird anhand von zwei wichtigen HF-Parametern bewertet:
dem elektrischen Feld Ea und der intrinsischen Güte Q0. Im Gegensatz zu normalleitenden (NC) Kavitäten kann die intrinsische Güte von supraleitenden (SC) Kavitäten mit zunehmendem elektrischem Feld erheblich variieren. Das optimale Ergebnis für die Kavitätenpräparation ist die Erhöhung des maximalen elektrischen Feldes unter Beibehaltung eines höheren Q0 über die gesamte Feldspanne. Da Q0 umgekehrt proportional zu den Kavitätsverlusten ist, reduziert eine Erhöhung des Qualitätsfaktors die Kryoverluste für den Betrieb bei gegebenem Feldniveau. Die Entwicklung der Kavitätenperformanz im Verlauf dieser Arbeit dargestellt.
Die meisten SC-Kavitäten sind elliptische Strukturen, welche bei hoher Geschwindigkeit und Tastrate angewendet werden. Die Präparationsmethoden wurden daher überwiegend auf diese Strukturen angewandt und optimiert. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Umsetzung der zuverlässigsten und vielversprechendsten Oberflächenbehandlungen mittels des ersten vom IAP entwickelten SC 360MHz CH-Prototyps. Diese Kavität wies nach 11 Jahren Lagerung eine verminderte Leistung auf, welche mit Röntgenstrahlung bei bereits niedrigen elektrischen Feldern einherging. Dies deutet auf eine unbeabsichtigte Belüftung mit normaler Luft hin, durch die Partikel eingeführt wurden, die als verstärkende Quellen von Elektronen fungierten. Außerdem musste der Leistungskoppler aufgrund einer starken Überkopplung neu ausgelegt werden.
Die Kavität wurde für 48 Stunden bei 120◦ C mittels Heizbändern in der Experimentierhalle des IAP’s ausgeheizt, was zu einer Verbesserung des Qualitätsfaktors bei niedrigen Werten und zu einer Verkürzung der für die Konditionierung von Multipacting-Barrieren erforderlichen Zeit führte. Allerdings wurde durch diese Behandlung das maximale erreichbare elektrische Feld weiter verringert. Die Verbesserung der Güte ist auf das Ausgasen der Kohlenwasserstoffe während des Backvorgangs zurückzuführen. Die negative Auswirkung auf das maximale elektrische Feld ist weniger auf das Backen selbst zurückzuführen als auf den Transport der Kavität und die verwendeten Vakuumkomponenten, die in der Versuchshalle gelagert sind.
Die beobachtete Leistungseinschränkung lässt sich hauptsächlich durch Partikel im Inneren des Resonators erklären, da Feldemission bei niedrigen Feldstärken auftrat. Eine Hochdruckspülung mit ultrareinem Wasser (HPR) ist das Standardverfahren, um nach Behandlungen, bei denen das Risiko einer Oberflächenkontamination besteht, eine hohe Reinheit der inneren Oberflächen zu erreichen. Die HPR wurde in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Institut-Mainz und der Gesellschaft für Schwerionenforschung geplant und durchgeführt. Der Resonator zeigte bereits während der Messung der Q-E-Kurve eine Zunahme der transmittierten Leistung bei konstanter Vorwärtsleistung, was vor der HPR nicht der Fall war. Bei der CW-HF-Konditionierung zeigte die Kavität den höchsten Gradienten bei einem deutlich schwächeren Q-Abfall bei hohen Feldstärken.
Sowohl bei der Messung von 2008 als auch bei der beschriebenen Messung wurde die Kavität mit einer HPR-Behandlung fertiggestellt, aber für die HPR-Behandlung bei HIM in Mainz wurden einige Anpassungen vorbereitet. Der CH Prototyp verfügt über keine zusätzlichen Spülports und wurde daher mit zwei verschiedenen Düsen mit unterschiedlichen Sprühwinkeln gespült, um die erreichbaren inneren Resonatorflächen zu maximieren. Die Verwendung mehrerer Sprühwinkel könnte auch für CH-Kavitäten mit Spülöffnungen von Vorteil sein und sollte für zukünftige HPR-Anwendungen in Betracht gezogen werden.
Die Heliumbehandlung wurde am CH-Prototyp 2,5 Stunden lang durchgeführt und lieferte vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf die Güte und die Gradientenoptimierung.
Während dieses Prozesses wurde die emittierte Röntgenstrahlung in Richtung am Arbeitsplatzs gemessen und zeigte starke zeitabhängige Fluktuationen. Dies deutete auf die Beseitigung von Partikeln hin und wurde anschließend durch einen Anstieg des elektrischen Feldes von 8,4 auf 8,7 MV/m bestätigt. Eine unerwartete Auswirkung wurde bei der Q-Steigung im mittleren bis hohen Feld festgestellt, bei der der Qualitätsfaktor im Vergleich zum HF-konditionierten Fall eine Erhöhung von 5% oberhalb von 2MV/m aufwies. Dieser systematische Anstieg wurde für diesen Beschleuniger vor der Behandlung bisher nicht beobachtet. Stickstoffgedopte Kavitäten zeigen ein ähnliches Verhalten, bei dem Wechselwirkungen innerhalb der Oxidschicht mit Änderungen der Qualitätsfaktoren korreliert sind. Da Helium ein nicht reaktives Element ist, sind mögliche Erklärungen für diesen Effekt der Sputterprozess und die Einlagerung von Helium innerhalb der Oberfläche. Eine Serie von Heliumbehandlungen ist geplant, um ein optimiertes und sicheres Rezept für CH-Kavitäten zu finden. Die Q-E-Messung nach der Abkühlung und vor der Behandlung wird auch zeigen, ob der Leistungsgewinn durch ein Aufwärmen auf Raumtemperatur beeinträchtigt wird.
Die in dieser Arbeit skizzierte Behandlungssequenz wird für CH-Kavitäten dringend empfohlen. Das Ausheizen hat sich bei der Verringerung des Multipactings and der Güteabnahme bei hohen Feldern als wirksam erwiesen und bleibt von der anschließenden HPR unbeeinflusst. In dieser Arbeit wurden keine negativen Auswirkungen der HPR auf das Multipactingverhalten festgestellt. Anschließend wird eine CW-HF-Konditionierung durchgeführt, bis keine weitere Leistungszunahme der Kavität mehr zu verzeichnen ist.
Wenn die Kavität immer noch durch Feldemission begrenzt ist, sollte eine Wiederholung der HPR-Behandlung in Betracht gezogen werden, da bei sorgfältiger Durchführung der HPR keine der bisherig gefertigten CH-Kavitäten hierdurch begrenzt war. Es ist auch anzumerken, dass die Heliumbehandlung nur an der 360MHz CH-Kavität durchgeführt wurde, als diese eine geringe Strahlung durch Feldemission aufwies. Das Risiko des Heliumprocessing an CH-Kavitäten unter starker Feldemission ist unbekannt. Es ist zu erwarten, dass die Elektronenströme und damit die Ionenbeschusslawinen zunehmen und ein größeres Risiko für die Beschädigung von der Komponenten darstellen. Nach dem derzeitigen Kenntnisstand sollte die Heliumbehandlung nur für gut vorbereitete Kavitäten mit minimaler Feldemission in Betracht gezogen werden.
Die Arbeit behandelt die Messung von Photonen mit Teilchendetektoren, die auf digitalen Silizium-Pixelsensoren basieren. Diskutiert werden zwei wesentliche Schritte in den Upgrade-Programmen des ALICE-Experiments am CERN-LHC:
1. FOCAL-Detektor-Upgrade (2027): Untersuchung der Detektorantwort des elektromagnetischen Pixel-Kalorimeters EPICAL-2 und der Form elektromagnetischer Schauer durch Teststrahl-Messungen und Monte Carlo Simulationen.
2. ALICE 3-Upgrade (2035): Simulationsstudien zum Untergrund in der Messung von Photonen mit sehr kleinem Transversalimpuls.
Teil 1: Performance des elektromagnetischen Pixel-Kalorimeters EPICAL-2
Detektordesign und Testmessungen: EPICAL-2, ein SiW-Sandwich-Design-Kalorimeter mit ALPIDE Sensoren, besitzt eine Tiefe von ca. 20 Strahlungslängen und etwa 25 Millionen Pixel. Testmessungen wurden an der Universität Utrecht (kosmische Myonen) sowie am DESY und CERN-SPS (Elektronen) durchgeführt.
Simulation und Validierung: Das EPICAL-2 wird im Simulationspaket Allpix2 implementiert, um die Testmessungen zu validieren und das Detektorverhalten zu untersuchen. Systematische Variationen bestätigen die Stabilität und Reproduzierbarkeit der Simulation.
Datenaufbereitung und Schauerprofile: Im Rahmen der Datenanalyse werden fehlerhafte Pixel ausgeschlossen, Pixel-Treffer zu Clustern gruppiert, Chips kalibriert und der Strahlwinkel korrigiert. Das longitudinale Profil elektromagnetischer Schauer zeigt, dass das Schauermaximum in der Simulation etwas tiefer liegt als in den Testdaten, was auf zusätzliches Material oder eine unvollständige Beschreibung der Schauerentwicklung in der Simulation zurückzuführen sein könnte. Das laterale Profil zeigt, dass eine Schauertrennung im Millimeter-Bereich möglich ist.
Energieantwort und -auflösung: Die nicht-lineare Energieantwort wird sowohl in Testdaten als auch in Simulationen beobachtet. Die Energieauflösung des EPICAL-2 für Cluster ist besser als für Pixeltreffer und vergleichbar mit dem analogen CALICE-Prototypen. Simulationen ohne Strahlenergie-Fluktuationen zeigen eine bessere Energieauflösung als in den Testdaten.
Teil 2: Untergrund in der Messung von Photonen in ALICE 3
Simulationssetup: Die ALICE 3-Detektorgeometrie wird in GEANT4 implementiert, um den Untergrund in der Messung weicher Photonen zu untersuchen. Simulationen mit PYTHIA und GEANT4 zeigen, dass der Untergrund hauptsächlich aus Zerfallsphotonen und Photonen aus externer Bremsstrahlung besteht.
Ergebnisse der Untergrundstudien: Der Untergrund durch Photonen aus externer Bremsstrahlung dominiert und liegt im Akzeptanzbereich des FCT um einen Faktor von 5 bis 10 über dem theoretischen Signal weicher Photonen. In der Simulation wird das Material zu 8%—14% X0 in ALICE 3 bestimmt, wobei bereits bei 5% X0 der Untergrund genauso stark ist wie das erwartete Signal.
Möglichkeiten zur Untergrundreduzierung: Untersuchungen zeigen, dass ein Elektron-Veto das Signal-zu-Untergrund-Verhältnis um den Faktor 30 verbessern und eine Materialreduktion durch ein optimiertes Strahlrohr um den Faktor 7.
Die Ergebnisse des ersten Teils dieser Arbeit demonstrieren insgesamt die gute Performance des EPICAL-2 in Bezug auf die Energiemessung und die Bestimmung der Schauerform. Darüber hinaus unterstützen sie den Einsatz digitaler Kalorimeter im FOCAL-Upgrade des ALICE-Experiments und zeigen das Potenzial der digitalen Kalorimetertechnologie für zukünftige Hochenergiephysik-Experimente.
Die Ergebnisse des zweiten Teils dieser Arbeit liefern einen wesentliche Beitrag zum geplanten ALICE 3-Upgrade. Weiterhin veranschaulichen sie, wie ein Elektron-Veto und die Reduzierung des Materials zusammen eine vielversprechende Messstrategie bilden können.
The main focus of this thesis is the application of the nonperturbative Functional Renormalization Group (FRG) to the study of low-energies effective models for Quantum Chromodynamics (QCD). The study of effective field theories and models is crucial for our understanding of physics, especially when we deal with fundamental interaction theories like QCD. In particular, the ultimate goal is the understanding of the critical properties of these models in such a way that we can have an insight on the actual critical phenomena of QCD, with a special focus on its chiral phase transition. The choice of the FRG method derives from the fact that it belongs to the class of functional non-perturbative methods and has also the advantage of linking physics at different energy scales. These features make FRG perfectly compatible with the task of studying non-perturbative phenomena and in particular phase transitions, like the ones expected for strongly interacting matter. However, the functional nature of the FRG approach and of the Wetterich equation has a consequence that its exact resolution is hardly possible, and an ansatz for the effective action is generally needed. In this work we choose to adopt the local-potential approximation (LPA), which prescribes to stop at zeroth order in the expansion in derivative operators of the quantum effective action, including only the quantum effective potential. In this work we exploited the key observation that the FRG flow equation can be cast, for specific models and truncation schemes, in the form of an advection-diffusion, possibly with a source term. This type of equation belongs to the class of problems faced in the context of viscous hydrodynamics. Therefore, an innovative approach to the solution of the FRG flow equation consists in the choice of a method developed specifically for the resolution of this class of hydrodynamic equations. In particular, the Kurganov-Tadmor finite-volume scheme is adopted. Throughout this work we apply this scheme to the study of different physical systems, showing the reliability and the flexibility of this approach.
In the first part of the thesis, we discuss the well-known O(N) model, using the hydrodynamic formulation to solve the FRG flow equation in the LPA truncation. We focus on the study of the critical behaviour of the system and calculate the corresponding critical exponents. Particular attention is given to the error estimation in the extraction of critical exponents, which is a needed and not widely explored aspect. The results are well compatible with others in the literature, obtained with different perturbative and nonperturbative methods, which validates the procedure. In the second part of the thesis, we introduce the quark-meson model as a low-energy effective model for QCD, with a specific focus on its chiral symmetry-breaking pattern and the subsequent dynamical quark-mass generation. The LPA flow equation is of the advection-diffusion type, with an extra source contribution which is due to the inclusion of fermionic degrees of freedom. We thus adopt the developed numerical techniques to derive the phase diagram of the model, which is in agreement with the one obtained with other techniques in the literature.
We also follow another possible way for the study of the critical properties of the quark-meson model: the so-called thermodynamic geometry. This approach is based on the interpretation of the parameter space of the system as a differential manifold. One can then obtain relevant information about the phase transitions from the Ricci scalar. We studied the chiral crossover investigating the behavior of the Ricci scalar up to the critical point, featuring a peaking behavior in the presence of the crossover. We then repeated this analysis in the chiral limit, where the phase transition is expected to be of second order. Via this geometric technique it is possible to have a different view on the chiral phase transition of QCD. This is the case since this approach is based on the calculation of quantities which are influenced by higher-order momenta of the thermodynamic potential, thus allowing for a more comprehensive analysis of the phase transition.
Finally, we exploit the numerical advancement to face the issue of the regulator choice in the FRG calculations. This is one of the most delicate issues which arise when using approximations to solve the FRG flow equation and deserves extensive investigation. In particular, we performed a vacuum parameter study and used the RG consistency requirement to determine the impact of the choice of the regulator on the physical observables and on the phase diagram of the model. Via this study we develop a systematic method to comparison the results obtained via different regulators. We show the importance of the choice of an appropriate UV cutoff in the determination of UV-independent IR observables and, consequently, the impact on the latter that the truncation of the effective average action and the choice of the regulator have.
This thesis is concerned with the investigation of static and dynamic properties of quantum Heisenberg paramagnets in the absence of a magnetic field and therefore for vanishing magnetization. For this purpose a new formulation of the spin functional renormalization group (SFRG) is employed. The first manifestations of the SFRG were developed by Krieg and Kopietz, motivated by the FRG approach to ordinary field theories and the older works of Vaks, Larkin and Pikin on diagrammatic methods for spin operators.
The main idea is to study quantum spin systems by considering the evolution of correlation functions under a continuous deformation of the interaction between magnetic moments, starting from a solvable limit. This leads to nonperturbative results for quantities like the spin-spin correlation function. After a basic introduction to the phenomena and concomitant problems discussed in this thesis, a detailed description of the SFRG method in its initial formulation is given in the second chapter. We start with the generating functional of connected imaginary-time spin-correlation functions GΛ [h], for which an exact flow equation is derived. A particular issue, already pointed out by Krieg and Kopietz, arises here, namely the singular non-interacting limit of its subtracted Legendre transform ΓΛ [m]. As a consequence the initial condition of that functional does not have a proper series expansion in powers of m. This prevents us from working directly within a pure one-particle irreducible (1-PI) parametrization of the correlation functions, as is often done in the context of field theories. Thus motivated, we develop a workaround explicitly tailored to paramagnets, which provides us with a functional that has a well-behaved Legendre transform. The new approach is based on a different treatment of fluctuations at zero and finite frequencies, analogous to a previous hybrid formulation for the symmetry-broken phase. Certain properties, considered to be highly relevant for isotropic paramagnets, as well as previous observations, already made in the study of simpler spin systems like the Ising model, serve as additional justifications for choosing this construction.
In the third chapter our new method is assessed by calculating the dynamic susceptibility G(k, iω) and thus the dynamic structure factor S(k, ω) in the symmetric phase. For this purpose an approximate integral equation for the dynamic polarization function Π̃(k, iω) was derived. This equation results from a truncation of the hierarchy of flow equations and contains static quantities, that are assumed to be known from another source. Our first application is the high-temperature limit T → ∞ in d ≤ 3 dimensions. Salient features, believed to be part of the spin dynamics in isotropic Heisenberg magnets are also exhibited by our solution, like (anomalous) diffusion in a suitable hydrodynamic limit. Moreover we obtain the same order of magnitude for the diffusion coefficient D as in experiments and other theoretical calculations. Other aspects do not entirely agree with previous approaches.
Afterwards we continue by investigating systems close to the critical point Tc. Dynamic scaling forms for Π̃(k, iω) and S(k, ω), which, like spin diffusion, are postulated on the basis of quite general physical arguments, are reproduced. Agreement of the line-shapes 2with neutron scattering experiments at T = Tc is found to be satisfying, with deviations for ω → 0, that may be attributed to the simplicity of the approximation, like at infinite temperature.
Finally, we focus our attention on the thermodynamic properties of isotropic Heisenberg paramagnets by calculating the static susceptibility G(k). For this purpose we employ simple truncation schemes of the flow equations for the static self-energy ΣΛ (k) and four-spin vertex ΓΛ , together with a basic ansatz for the dynamic polarization Π̃(k, iω) in quantum systems. As a result we obtain transition temperatures Tc of three-dimensional nonfrustrated magnets within an accuracy of 5 percent compared to established benchmark values from Quantum Monte Carlo and high temperature expansion series. We conclude this chapter by giving an outlook on the application of our method to frustrated systems, which may require a combined non-trivial calculation of static and dynamic properties.
Das radioaktive Edelgas Radon und seine ebenfalls radioaktiven Zerfallsprodukte machen den größten Teil der natürlichen Strahlenbelastung in Deutschland aus. Trotz der Einstufung als krebserregend für Lungenkrebs wird es zur Therapie entzündlicher Krankheiten eingesetzt. Der hauptsächliche Aufnahmemechanismus ist dabei die Inkorporation über die Atmung, wobei Radon auch über die Haut aufgenommen werden kann. Radon wird dabei über das Blut im gesamten Körper verteilt und kann in Gewebe mit hoher Radonlöslichkeit akkumulieren. Die Zerfallsprodukte verbleiben jedoch in der Lunge, zerfallen dort, bevor sie abtransportiert werden können und schädigen das dortige Gewebe.
Die Lungendosis wird laut Simulationen zum größten Teil durch die kleinsten Radon-Zerfallsprodukte (< 10 nm) bestimmt, die besonders effektiv im Respirationstrakt anheften. Die erzeugte Dosis ist dabei aufgrund der inhomogenen Anlagerung der Zerfallsprodukte lokal stark variabel. In Simulationen wurden Bifurkationen als Ort besonders hoher Deposition identifiziert, wobei die experimentelle Datenlage zur Deposition kleinster Radon-Zerfallsprodukte eingeschränkt ist. Aufgrund des Anstiegs der Komplexität von Simulationen oder Experimenten wird in den meisten Betrachtungen nicht der oszillatorische Atemzyklus berücksichtigt, sondern lediglich ein einseitig gerichteter Luftstrom betrachtet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein experimentelles Modell entwickelt und etabliert, das die Messung der Deposition von Radon-Zerfallsprodukten ermöglicht und zwischen drei Größenfraktionen (Freie Zerfallsprodukte: < 10 nm, Cluster: 20-100 nm, Angelagerte Zerfallsprodukte: > 100 nm) unterscheiden kann. Der Luftfluss durch das Modell bildet sowohl die Inhalation als auch die Exhalation ab. Erste Experimente mit dem neu entwickelten Messaufbau konnten die aus Simulationen bekannte erhöhte Deposition der freien Zerfallsprodukte in einer Bifurkation abbilden. Die Vergrößerung des Bifurkationswinkels von 70° auf 180° zeigte lediglich einen minimalen Anstieg in der Größenordnung des Messfehlers. Der dominierende Prozess der Anlagerung der freien Zerfallsprodukte ist die Brown'sche Molekularbewegung, die unabhängig vom Bifurkationswinkel ist. Dennoch kann ein veränderter Winkel die Luftströmung und entstehende Turbulenzen verändern, wodurch die Deposition beeinflusst werden kann. Dies lässt sich jedoch mit dem hier benutzten Messaufbau nicht auflösen. Entgegen der Beobachtungen in der Literatur führte die Erhöhung der Atemfrequenz von 12 auf 30 Atemzüge pro Minute, in den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Experimenten, zu keiner messbaren Veränderung der Deposition. Diese Beobachtung ist auf die Entstehung gegensätzlicher Effekte zurückzuführen. Einerseits führt eine schnellere Luftströmung zu kürzeren Aufenthaltszeiten der freien Zerfallsprodukte im Modell, wodurch die Deposition unwahrscheinlicher wird. Andererseits entstehen vermehrt sekundäre Strömungen und absolut betrachtet werden mehr Partikel durch das Modell gepumpt. Es ist davon auszugehen, dass sich diese Effekte im hier getesteten Bereich aufheben.
Als potentielle Schutzmaßnahme zur Reduktion der Lungendosis konnte im Rahmen dieser Arbeit die Filtereffzienz von Gesichtsmasken (OP-Masken, FFP2 Masken) gegenüber Radon und seinen Zerfallsprodukten bestimmt werden. Während Radon nicht gefiltert wird, wurden die freien Zerfallsprodukte fast vollständig (> 98%) und die Cluster zum größten Teil (≈ 80 %) zurückgehalten.
Radon selbst kann im gesamten Organismus verteilt werden und dort in Gewebe akkumulieren. Zur Bestimmung der Dosis wird dabei auf biokinetische Modelle zurückgegriffen. Diese sind von der Qualität ihrer Eingabeparameter abhängig, wobei beispielsweise die Werte zur Verteilung von Radon zwischen Blut und Gewebe auf experimentell gewonnenen Löslichkeitswerten aus Mäusen und Ratten beruhen. Unbekannte Werte werden von der Internationalen Strahlenschutzkommission basierend auf der Gewebezusammensetzung als gewichteter Mittelwert berechnet. In dieser Arbeit wurde die Löslichkeit in humanen Blutproben und wässrigen Lösungen verschiedener Konzentrationen der Blutproteine Hämoglobin und Albumin bestimmt. Es löste sich mehr Radon in Plasma als in Erythrozytenkonzentrat und Vollblut. Die Protein-Lösungen zeigten keine Konzentrationsabhängigkeit der Löslichkeit, sondern lediglich in hitzedenaturiertem Hämoglobin wurde eine niedrigere Löslichkeit gemessen. Basierend auf diesen Beobachtungen, sollte die These überprüft werden, ob sich die Löslichkeit einer Mischung als gewichteter Mittelwert der einzelnen Löslichkeiten berechnen lässt. Daher wurden diese in einer Mischung aus zwei Flüssigkeiten (1-Pentanol, Ölsäure) bestimmt. Die experimentell bestimmte Löslichkeit war dabei fast doppelt so groß wie der berechnete Wert. Dieser Unterschied kann dadurch zustande kommen, dass bei einer Berechnung basierend auf der Zusammensetzung die Wechselwirkungen zwischen den Lösungsmitteln vernachlässigt werden. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit experimenteller Daten zur Verteilung und Lösung von Radon in verschiedenem Gewebe.
Efficient modeling and mitigation of quadrupole errors in synchrotrons and their beam transfer lines
(2023)
This thesis investigates the problem of estimating quadrupole errors on synchrotrons as well as how to minimize the influence of quadrupole errors for beam transfer lines (beamlines). It emphasizes the importance to treat possible error sources in all parts of an accelerator in order to provide constantly high beam quality to the experimental stations. While the presented methods have been investigated by using the example of the SIS18 synchrotron and the HEST beamlines at GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research, they are equally relevant for the future synchrotrons and beamlines of the Facility for Antiproton and Ion Research in Europe (FAIR).
Part 1 discusses the problem of estimating quadrupole errors via orbit response measurements at synchrotrons. An emphasis is put on investigating the influence of the availability of steerer magnets and beam position monitors (BPMs) on the solvability of the inverse problem as well as on the propagation of measurement uncertainty for the estimation of quadrupole errors. The problem is approached via analytical considerations as well as via dedicated simulation studies. By developing an analytical expression for the Jacobian matrix, the theoretical boundaries for the solvability of the inverse problem are derived. Moreover, it is shown that the analytical expressions for the Jacobian matrix can be used during the fitting procedure to achieve a significant improvement in the computational efficiency by a factor $N_{steerers} \times N_{quadrupoles}$, where $N$ denotes the number of lattice elements of the respective type. The presented results are tested via dedicated measurements at the SIS18 synchrotron.
Part 2 discusses – complementary to part 1 – the influence of quadrupole errors in beam transfer lines with respect to the beam quality requirements given by the experimental stations. A preventive approach is presented which allows to minimize the influence of possible quadrupole errors on the degradation of beam quality. By identifying and selecting robust quadrupole configurations, a stable operation of the beamline can be enabled and the time needed by operators to readjust the beamline parameters can be reduced. The concept of beamline robustness is developed and is studied with the help of dedicated simulations. The simulation results are used to identify certain properties that distinguish robust from nonrobust quadrupole configurations. Also, various methods for improving the computational process of identifying robust quadrupole configurations are presented. The methods and results are tested via dedicated measurements at two different beamlines at GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research and at Forschungszentrum Jülich.
The theoretical and experimental investigation of exotic hadrons like tetraquarks is an important branch of modern elementary particle physics. In this thesis I investigate different four-quark systems using lattice QCD and search for evidence of stable tetraquark states or resonances.
Lattice QCD as a non-perturbative approach to QCD allows an accurate and reliable determination of the masses of strongly bound hadrons.
However, most tetraquarks appear as weakly bound states or resonances, which makes a theoretical investigation using lattice QCD difficult due to the finite spatial volume. A rigorous treatment of such systems is feasible using the so-called Lüscher method. This allows to calculate the scattering amplitude based on the finite-volume energy spectrum determined in a lattice QCD calculation. Similarly to the analysis of experimental data, this scattering amplitude can be used to determine the binding energies of bound states or the masses and decay widths of resonances in the infinite volume.
In my work I calculate the low-energy energy spectra of different four-quark systems and use - if necessary - the Lüscher method to determine the masses of potential tetraquark states.
I focus on systems consisting of two heavy antiquarks and two light quarks, where at least one of the heavy antiquarks is a bottom quark.
Even though such tetraquarks have not yet been experimentally detected, they are considered promising candidates for particles that are stable with respect to the strong interaction.
A decisive step for successfully calculating low-lying energy levels for such four-quark systems is a carefully chosen set of creation operators, which represent the physical states most accurately. In addition to operators that generate a local structure where all four quarks are located at the same space-time point, I also use so-called scattering operators that resemble two spatially separated mesons. These scattering operators turned out to be relevant for successfully determining the lowest energy levels and are therefore essential, especially if a Lüscher analysis is carried out.
In my work, I considered two different lattice setups to study the four-quark systems $\bar{b}\bar{b}ud$ with $I(J^P)=0(1^+) $, $\bar{b}\bar{b}us$ with $J^P=1^+ $ and $\bar{b}\bar{c}ud$ with $I(J^P)=0(0^+) $ and $I(J^P)=0(1^+) $ and to predict potential tetraquark states. In both setups, I considered scattering operators. While in the first setup I used them only as annihilation operators, in the second setup they were included both as creation and annihilation operators. Additionally, in the second lattice setup, I performed a simplified investigation of the $\bar{b}\bar{b}ud$ system with $I(J^P)=0(1^-) $, which is a potential candidate for a tetraquark resonance. The results of the investigation of the mentioned four-quark systems can be summarized as follows:
For the $ \bar{b}\bar{b}ud $ four-quark system with $ I(J^P)=0(1^+) $ I found a deeply bound ground state slightly more than $ 100\,\textrm{MeV} $ below the lowest meson-meson threshold. The existence of a corresponding $\bar{b}\bar{b}ud$ tetraquark in the infinite volume was confirmed using a Lüscher analysis and possible systematic errors due to the use of lattice QCD were taken into account.
Similar results were obtained for the $ \bar{b}\bar{b}us $ four-quark system with $ J^P=1^+ $. Again, I found a ground state well below the lowest meson-meson threshold, but slightly weaker bound than for the $ \bar{b}\bar{b}ud $ system. Effects due to the finite volume turned out to be negligible for this system, as already predicted for the $ \bar{b}\bar{b}ud $ system. \item For the $ \bar{b}\bar{c}ud $ four-quark systems with $ (J^P)=0(0^+) $ and $ (J^P)=0(1^+) $ I was able to rule out the existence of a deeply bound tetraquark states based on the energy spectrum in the finite volume. However, by means of a scattering analysis using the Lüscher method, I found evidence a broad resonance for both channels.
In the case of the $ \bar{b}\bar{b}ud $ four-quark system with $ I(J^P)=0(1^-) $, I could neither confirm the existence of a resonance, nor rule out its existence with certainty.
In particular, my investigations showed that the results of the two different lattice simulations are consistent. The theoretical prediction of the bound tetraquark states $\bar{b}\bar{b}ud$ and $\bar{b}\bar{b}us$ as well as the tetraquark resonances in the $\bar{b}\bar{c}ud$ system in this work represent an important contribution to the future experimental search for exotic hadrons and can support the discovery of previously unobserved particles.
ATP-binding cassette (ABC) transporters shuttle diverse substrates across biological membranes. They play a role in many physiological processes but are also the reason for antibiotic resistance of microbes and multi drug resistance in cancer, and their dysfunction can lead to serious diseases. Transport is achieved through an ATP-driven closure of the two nucleotide binding sites (NBSs) which induces a transition between an inward-facing (IF) and an outward-facing (OF) conformation of the connected transmembrane domains (TMDs). In contrast to this forward transition, the reverse transition (OF-to-IF) that involves Mg2+-dependent ATP hydrolysis and release is less understood. This is particularly relevant for heterodimeric ABC transporters with asymmetric NBSs. These transporters possess an ATPase active consensus NBS (c-NBS) and a degenerate NBS (d-NBS) with little or no ATPase activity.
Crucial details regarding function and mechanism of the transport cycle remain elusive.
Here, these open questions were addressed using pulse electron-electron double resonance (PELDOR or DEER) spectroscopy of the heterodimeric ABC exporter TmrAB.
To better understand the transport cycle, the underlying kinetics of the conformational transitions need to be elucidated. By introducing paramagnetic nitroxide (NO) spin probes at key positions of TmrAB and employing time-resolved PELDOR spectroscopy, the forward transition could be followed over time and the rate constants for the conformational transition at the TMDs and NBSs were characterized.
The temperature dependence of these rate constants was further analyzed to determine for the first time the activation energy of conformational changes in a large membrane protein. For TMD opening and c-NBS dimerization, values of 75 ± 27 kJ/mol and 56 ± 3 kJ/mol, respectively were found. These values agree with reported activation energies of peptide transport and peptide dissociation in other ABC transporters, suggesting that the forward transition may be the rate-limiting step for substrate translocation.
The functional relevance of asymmetric NBSs is so far not well understood. By combining Mg2+-to-Mn2+ substitution with Mn2+-NO and NO-NO PELDOR spectroscopy, the binding of ATP-Mn2+, the conformation of the NBSs, and the conformation of the TMDs could be simultaneously monitored for the first time. These results reveal an asymmetric post-hydrolytic state. Time-resolved investigation showed that ATP hydrolysis at the active c-NBS triggers the reverse transition, whereas opening of the impaired d-NBS regulates the return to the IF conformation.
Das Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) stellt Protonen-, Helium- und Kohlenstoff-Ionenstrahlen unterschiedlicher Energie und Intensität für die Krebsbehandlung und Sauerstoff-Ionenstrahlen für Experimente zur Verfügung. Der hierfür verwendete Beschleuniger ist darüber hinaus in der Lage auch Ionenstrahlintensitäten unterhalb der für Therapien verwendeten bereitzustellen. Allerdings ist das derzeit installierte Strahldiagnosesystems nicht in der Lage, das Strahlprofil bei solchen geringen Intensitäten (< 10^5 Ionen/s) zu messen. Dabei existieren mögliche medizinische Anwendung für diese niederintensiven Ionen-strahlen, wie beispielsweise eine neuartige und potentiell klinisch vorteilhafte Bildgebung: die Ionenradiographie. Eine essentielle Voraussetzung für diese und andere Anwendungen ist ein System zur Überwachung von Ionenstrahlen niedriger Intensität. Ein solches System wurde im Rahmen dieser Arbeit konzipiert, realisiert, getestet und optimiert.
Das Funktionsprinzip basiert auf szintillierenden Fasern, insbesondere solchen mit erhöhter Strahlungshärte für die Möglichkeit einer dauerhaften Platzierung im Therapiestrahl. Ein diese Fasern durchlaufendes Ion regt den darin enthaltenen Szintillator durch Stoßprozesse kurzzeitig an. Die dabei deponierte Energie wird anschließend in Form von Photonen wieder emittiert. Silizium-Photomultiplier sind an den Enden der Fasern montiert und wandeln die Photonensignale in verstärkte elektrische Impulse um. Diese Impulse werden von einer neuartigen und dedizierten Ausleseelektronik aufgezeichnet und verarbeitet. Ein Prototypaufbau, bestehend aus den genannten Teilen, wurde im Strahl getestet und kann das transversale Strahlprofil erfolgreich im Intensitätsbereich von 10^7 Ionen/s bis hinunter zu 10^2 Ionen/s aufzeichnen. Darüber hinaus konnte, durch die erfolgreiche Ankunftszeitmessung von einzelnen Ionen bis zu Intensitäten von 5*10^4 Ionen/s, ein Machbarkeitsnachweis für die Messung der Spur von einzelnen Teilchen erbracht werden.
The strong force is one of the four fundamental interactions, and the theory of it is called Quantum Chromodynamics (QCD). A many-body system of strongly interacting particles (QCD matter) can exist in different phases depending on temperature (T) and baryonic chemical potential (µB). The phases and transitions between them can be visualized as µB−T phase diagram. Extraction of the properties of the QCD matter, such as compressibility, viscosity and various susceptibilities, and its Equation of State (EoS) is an important aspect of the QCD matter study. In the region of near-zero baryonic chemical potential and low temperatures the QCD matter degrees of freedom are hadrons, in which quarks and gluons are confined, while at higher temperatures partonic (quarks and gluons) degrees of freedom dominate. This partonic (deconfined) state is called quark-gluon plasma (QGP) and is intensively studied at CERN and BNL. According to lattice QCD calculations at µB=0 the transition to QGP is smooth (cross-over) and takes place at T≈156 MeV. The region of the QCD phase diagram, where matter is compressed to densities of a few times normal nuclear density (µB of several hundreds MeV), is not accessible for the current lattice QCD calculations, and is a subject of intensive research. Some phenomenological models predict a first order phase transition between hadronic and partonic phases in the region of T≲100 MeV and µB≳500 MeV. Search for signs of a possible phase transition and a critical point or clarifying whether the smooth cross-over is continuing in this region are the main goals of the near future explorations of the QCD phase diagram.
In the laboratory a scan of the QCD phase diagram can be performed via heavy-ion collisions. The region of the QCD phase diagram at T≳150 MeV and µB≈0 is accessible in collisions at LHC energies (√sNN of several TeV), while the region of T≲100 MeV and µB≳500 MeV can be studied with collisions at √sNN of a few GeV. The QCD matter created in the overlap region of colliding nuclei (fireball) is rapidly expanding during the collision evolution. In the fireball there are strong temperature and pressure gradients, extreme electromagnetic fields and an exchange of angular momentum and spin between the system constituents. These effects result in various collective phenomena. Pressure gradients and the scattering of particles, together with the initial spatial anisotropy of the density distribution in the fireball, form an anisotropic flow - a momentum (azimuthal) anisotropy in the emission of produced particles. The correlation of particle spin with the angular momentum of colliding nuclei leads to a global polarization of particles. A strong initial magnetic field in the fireball results in a charge dependence and particle-antiparticle difference of flow and polarization.
Anisotropic flow is quantified by the coefficients vₙ from a Fourier decomposition of the azimuthal angle distribution of emitted particles relative to the reaction plane spanned by beam axis and impact parameter direction. The first harmonic coefficient v₁ quantifies the directed flow - preferential particle emission either along or opposite to the impact parameter direction. The v₁ is driven by pressure gradients in the fireball and thus probes the compressibility of the QCD matter. The change of the sign of v₁ at √sNN of several GeV is attributed to a softening of the EoS during the expansion, and thus can be an evidence of the first order phase transition. The global polarization coefficient PH is an average value of the hyperon’s spin projection on the direction of the angular momentum of the colliding system. It probes the dynamics of the QCD matter, such as vorticity, and can shed light on the mechanism of orbital momentum transfer into the spin of produced particles.
In collisions at √sNN of several GeV, which probe the region of the QCD phase diagram at T≲100 MeV and µB≳500 MeV, hadron production is dominated by u and d quarks. Hadrons with strange quarks are produced near the threshold, what makes their yields and dynamics sensitive to the density of the fireball. Thus measurement of flow and polarization, in particular of (multi-)strange particles, provides experimental constraints on the EoS, that allows to extract transport coefficients of the QCD matter from comparison of data with theoretical model calculations of heavy-ion collisions.
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Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden drei Schwerpunkte behandelt: 1) Die hocheffektive Beschleunigung von Elektronen und Protonen durch die Wechselwirkung von relativistischen Laserpulsen mit Schäumen. 2) Die Erzeugung und Messung hochintensiver Betatronstrahlung von direkt laserbeschleunigten (DLA-) Elektronen. 3) Die Anwendung von DLA-Elektronen für den biologischen FLASH-Effekt mit einer rekordbrechenden Dosisrate.
Die direkte Laserbeschleunigung von Elektronen wurde durch die Wechselwirkung eines sub-ps-Laserpulses mit einer Intensität von ~ 10^19 W/cm^2 mit einem Plasma nahe kritischer Elektronendichte (NCD) untersucht. Ein sub-mm langes NCD-Plasma wurde durch Erhitzen eines Schaums mit einer niedrigen Dichte mit einem ns-Puls von 10^13-10^14 W/cm^2 erzeugt. Die Experimente wurden an der PHELIX-Anlage (Petawatt Hoch- Energie Laser für Schwerionenexperimente) in den Jahren 2019 – 2023 durchgeführt. Während der Suche nach optimalen Bedingungen für die Beschleunigung von Elektronen und Protonen wurden die Parameter des ns-Pulses variiert und verschiedene Targets verwendet. Es wurde gezeigt, dass das Plasma im Schaum gute Voraussetzungen für die Erzeugung gerichteter, ultrarelativistischer DLA-Elektronen mit Energien von bis zu 100 MeV bietet. Die Elektronen weisen eine Boltzmann-ähnliche Energieverteilung mit einer Temperatur von 10-20 MeV auf.
Optimale Bedingungen für eine effektive Beschleunigung von DLA-Elektronen wurden bei der Kombination eines CHO-Schaums mit einer Dichte von 2 mg/cm3 und einer Dicke von 300-500 µm mit einer Metallfolie erreicht. Die Gesamtladung der detektierten Elektronen mit Energien über 1,5 MeV erreichte 0,5-1 µC mit der Umwandlungseffizienz der Laserenergie von ~ 20-30%.
Außerdem wird die Beschleunigung von Protonen durch DLA-Elektronen anders verursacht als bei typischer Target Normal Sheath Acceleration (TNSA). Für die Untersuchung der lokalen Protonenenergieverteilung wurden Magnetspektrometer unter verschiedenen Winkeln zur Laserachse verwendet. Dafür wurde eine Filtermethode entwickelt, welche es ermöglicht, Spektren von Protonen mit Energien von bis zu 100 MeV zu rekonstruieren. Es wurde gezeigt, dass am PHELIX durch die Kombination von einem ~ 300-400 µm dicken CHO-Schaum mit einer Dichte von 2 mg/cm^3 und einer 10 µm dicken Au-Folie bei einer Intensität des sub-ps-Pulses von ~ 10^19 W/cm^2 und unter Verwendung eines optimierten ns-Vorpulses eine optimale Protonenbeschleunigung erreicht wurde. Es wurde ein TNSA-ähnliches Regime mit einer maximalen Cut-off-Energie von 34±0,5 MeV beobachtet. Im Vergleich dazu wurde bei der typischen TNSA unter Verwendung einer 10 µm dicken Au-Folie als Target und derselben Laserintensität eine maximale Cut-off-Energie von 24±0,5 MeV gemessen. Darüber hinaus beobachteten wir einen sehr schwachen Abfall der Protonenanzahl in Abhängigkeit von der Protonenenergie (anders als bei der typischen TNSA) und eine sehr regelmäßige Protonenstrahlverteilung in einem breiten Winkelbereich bis zu hohen Energien. Dies könnte zur Verbesserung der Qualität der Protonenradiographie von Plasmafeldern genutzt werden.
Beim DLA-Prozess (im NCD-Plasma) entsteht Betatronstrahlung durch die Oszillationen von Elektronen in quasi-statischen elektrischen und magnetischen Feldern des Plasmakanals. Um diese Strahlung zu untersuchen, wurde ein neues modifiziertes Magnetspektrometer (X-MS) konstruiert. Das X-MS ermöglicht die 1D-Auflösung mehrerer Quellen. Dank dieser Spezifikation war es möglich, Betatronstrahlung von Bremsstrahlung der ponderomotorischen Elektronen im Metallhalter zu trennen und zu messen.
Im Experiment mit einem CHO-Schaum mit einer Dichte von 2 mg/cm^3 und einer Dicke von ~ 800 µm als Target wurde die von den optimierten DLA-Elektronen erzeugte Betatronstrahlung gemessen. Bei einer Peak-Intensität des dreieckigen ns-Pulses von ~ 3·10^13 W/cm^2 und des sub-ps-Pulses von ~ 10^19 W/cm^2, welcher 4±0,5 ns gegenüber dem ns-Puls verzögert war, betrug der Halbwinkel im FWHM-Bereich des Elektronenstrahls 17±2°. Unter diesen Bedingungen war die Betatronstrahlung mit einem Halbwinkel im FWHM-Bereich von 11±2° für die Photonen mit Energien über 10 keV ebenfalls gerichtet. Die Photonenanzahl mit Energien über 10 keV wurde auf etwa 3·10^10 / 3·10^11 (gerichtete Photonen / Photonen im Halbraum entlang der Laserstrahlrichtung) abgeschätzt. Die maximale Photonenanzahl pro Raumwinkel betrug ~2·10^11 photons/sr. Die Brillanz der registrierten Betatronstrahlung erreichte ~ 2·10^20 photons/s/mm^2/mrad^2/(0.1% BW) bei 10 keV.
Die Verwendung eines Hochstromstrahls aus DLA-Elektronen für die FLASH-Strahlentherapie ermöglicht das Erreichen einer Dosis von bis zu 50-70 Gy während eines sub-ps-Laserpulses. Im Jahr 2021, während der P213-Strahlzeit am PHELIX wurde der Sauerstoffkonzentrationsabfall bei der Bestrahlung von Medien (Wasser und andere biologische Medien) mit DLA-Elektronen in Abhängigkeit von der Dosis untersucht. Die Strahlendosis wurde hierbei indirekt gemessen. Hierfür wurde eine Rekonstruktionsmethode entwickelt, die es ermöglicht, die Dosis innerhalb des „Wasser-Containers“ auf Basis von Messungen außerhalb des Containers mit einem untersuchten Medium zu ermitteln. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen dem Experiment und einer Monte-Carlo-Simulation für Wasser gezeigt. Die registrierte Dosisrate erreichte einen Rekordwert von ~ 70 TGy/s.
This thesis aims to investigate the properties of hadronic matter by analyzing fluctuations of conserved charges. A transport model (SMASH) is used for these studies to achieve this. The first part of this thesis focuses on examining transport coefficients, specifically the diffusion coefficients of conserved charges and the shear viscosity. The second part investigates equal-time correlations of particle numbers in the form of cumulants. The last chapter studies different aspects of the isobar collision systems Ru and Zr.
As a first step, the hadronic medium and interactions between its constituents are introduced, and simultaneously, their impact on transport coefficients is investigated. The methodology is verified by comparing the results of SMASH with Chapman-Enskog calculations, followed by examining 3-to-1 multi-particle reactions, revealing their influence on shear viscosity and electrical diffusion. The analysis of the full hadron gas considers angle-dependent cross-sections and additional elastic cross-sections via the AQM description, showing significant impacts on transport coefficients. The dependency on the number of degrees of freedom is explored, with noticeable effects on diffusion coefficients but a smaller influence on the shear viscosity. At non-zero baryon chemical potential, the diffusion coefficients are strongly influenced, while the shear viscosity remains unaffected. Overall, the study underscores the importance of individual cross-sections and the modeling of interactions on transport coefficients.
The following chapter explores fluctuations of conserved charges, crucial for understanding phase transitions in heavy-ion collision from the quark-gluon plasma to the hadronic phase. Using SMASH, the impact of global charge conservation on particle number cumulants in subvolumes of boxes simulating infinite matter is studied. Comparisons with simpler systems highlights the influence of hadronic interactions on cumulants, especially via charge annihilation processes and the results from SMASH shows agreement with analytical calculations. Calculations at finite baryon chemical potential reveals a transition from a Poisson to Skellam distribution within the net proton cumulants. It is shown that an unfolding procedure to obtain the net baryon fluctuations from the net proton ones deviates from the actual net baryon result, particularly in larger volumes. Finally, net proton correlations at vanishing baryon chemical potential align with ALICE measurements and the net proton cumulants are unaffected by deuteron formation.
In the next step, the goal is to investigate critical fluctuations in the hadronic medium. Therefore, the hadronic system is initialized with critical equilibrium fluctuations by coupling the hadron resonance gas with the 3D Ising model. The single-particle probability distributions are derived from the principle of maximum entropy. Evolving these distributions in SMASH, their development in an expanding sphere adjusted to experimental conditions can be analyzed. It reveals resonance decay and formations as the primary source that affects the particle cumulants. Because of isospin randomization processes, critical fluctuations are better preserved in net nucleon numbers. However, for the strongest coupling investigated in this work, correlations of the critical field are still present in the final state of the evolution in the net proton fluctuations. Examining cumulant dependence on rapidity windows shows a non-monotonic trend.
In the third part, collisions involving the isobars Ru and Zr are studied at a center-of-mass energy of 200 GeV. Initially, SMASH is used to study the initial conditions to hydrodynamical simulations, emphasizing the importance of the nuclear structure of isobars on the geometry of the collision area. It is found that the deformation parameters notably influence the initial state. Correlations between nucleon-nucleon pairs on eccentricity fluctuations yield no significant effect. Subsequently, the hydrodynamic model vHLLE evolves the previously explored initial conditions and for the transition between the hydrodynamic and kinetic descriptions, the Cooper-Frye formula is used. Usage of the canonical ensemble ensures the exact conservation of the conserved charges B, Q, and S. The neutron skin effect, which changes the charge distribution within Ru nuclei, is additionally considered. Fluctuations are assessed, revealing suppression in large rapidity windows due to global charge conservation. The hadronic phase modifies fluctuations of net pions, net kaons, and net protons via annihilation processes, yet fluctuations remain unaffected by the neutron skin effect.
Die künstliche elektrische Stimulation bietet oftmals die einzige Möglichkeit, nicht vorhandene bzw. verloren gegangene motorische sowie sensorische Aktivitäten in gewissem Umfang wieder herzustellen. Im Falle von tauben Patienten wird zur Erlangung von Hörempfindungen die elektrische Stimulation des peripheren auditorischen Systems mit Hilfe von Cochlea- oder Hirnstammimplantaten standardmäßig eingesetzt. Es ist dabei notwendig, natürliche neuronale Entladungsmuster durch die elektrisch evozierten Entladungsmuster nachzubilden. Bei einkanaligen Systemen kann nur die Zeitstruktur des Signals dargeboten werden. Mehrkanalige Systeme bieten hier noch zusätzlich die Möglichkeit auch örtlich selektiv bestimmte Nervenfasergruppen zu stimulieren und damit die Ortsstruktur in den Entladungsmustern zu repräsentieren. So hat es sich gezeigt, dass die Sprachverständlichkeit durch Verwendung von Mehrkanal-Elektroden verbessert werden kann. Grundvoraussetzung hierfür ist die Optimierung der Kanalseparation durch Kleinst-Vielkanalelektroden und der Wahl einer optimalen Codierstrategie des Signals.
Die Codierstrategie ist abhängig von dem jeweiligen spezifischen Einsatzbereich. So gaben z.B. schon Clopton und Spelman (1995) zu bedenken, dass die als selektiv berechnete tripolare (S3) Konfiguration nur für einen bestimmten Stimulationsstrombereich gültig ist. Hinzu kommt es bei simultaner Verwendung benachbarter Kanäle zu schmerzhaften Lautheitssummationen. Ursache hierfür sind einerseits die Überlagerung der durch die Elektroden stimulierten neuronalen Bereiche und andererseits die Wechselwirkungen von Strömen benachbarter Elektrodenkanäle. Diese Effekte führen nicht nur zu einer Verringerung der räumlichen Stimulationsauflösung, sondern auch zu einer Einschränkung der exakten Abbildung der Zeitstruktur innerhalb der einzelnen Stimulationskanäle.
Die Techniken und Grundlagen der elektrischen Stimulation von neuronalem Gewebe mit Kleinst-Vielkanalelektroden sind bisher kaum untersucht worden. Ziel dieser Arbeit war es, ein mathematisches Modell zu implementieren und Qualitätsparameter zu definieren, mit deren Hilfe die Verteilung des elektrischen Feldes und die daraus resultierende neuronale Erregung beschrieben und optimiert werden kann. Zur Verifizierung des Modells sollten Methoden und Techniken entwickelt werden, die eine hochauflösende Abtastung der elektrischen Felder und Messung der neuronalen Daten innerhalb eines Messsystems ermöglichen.
Bei der neuronalen Stimulation mit Kleinst-Vielkanalelektroden ergibt sich eine Reihe von Problemen grundsätzlicher Art. So werden bei elektrodenferner Stimulation größere Stimulationsströme benötigt als bei elektrodennaher Stimulation, wobei für den Strombedarf die Stimulationskonfiguration eine entscheidende Rolle spielt: Der S1 Stimulationsmodus benötigt weniger Strom zur Erreichung großer Stimulationstiefen als der S2 Stimulationsmodus. Der größte Strom wird mit zunehmendem Elektrodenabstand gleichermaßen von dem S3 und S7 Stimulationsmodus benötigt. Gleichzeitig verfügen Kleinst-Vielkanalelektroden bauartbedingt aber nur über kleine Elektrodenkontaktoberflächen und lassen daher auf Grund der kritischen Feldstärke nur geringe Stimulationsströme zu.
Ein weiteres Problem besteht bei diesen Kleinst-Elektrodendimensionen in der konkreten Lage der Neurone an denen eine neuronale Erregung evoziert wird. Die Dimension der Kleinst-Vielkanalelektroden liegt bei einem Elektrodenkanalkontaktdurchmesser von 70 µm bereits in der Größenordnung der zu stimulierenden Neurone mit einem Durchmesser von 10 bis 15 µm. Dies macht sich bei den Messungen besonders dann deutlich bemerkbar, wenn nicht der Stimulationsstrom die Größe des überschwelligen Bereichs modelliert, sondern wenn der Elektrodenkanalabstand durch die Wahl der entsprechenden Elektrodenkanäle verändert wird. Hier weisen zwar die meisten neuronalen Antworten noch in die sich aus dem Modell ergebende Richtung, jedoch kommt es zu einer höheren Streuung der Ergebnisse als bei Messungen mit der Folienelektrode, die eine Kontaktfläche von 170 µm besitzt.
Es gibt also eine Reihe von begrenzenden Faktoren bei der optimalen Dimensionierung der Stimulationselektrode, die sowohl abhängig von der physiologischen Topologie ist als auch von den eingesetzten Stimulationskonfigurationen. Es ist also zur Stimulation die Wahl der optimalen Codierstrategie und die richtige Dimensionierung der Stimulationselektrode sowie der Elektrodenkanalabstände von entscheidender Bedeutung.
Die neuronalen Messungen wurden erstmalig für diese Fragestellung am Hirnschnitt durchgeführt, da sie, im Gegensatz zu in-vivo Versuchen, eine exakte Positionierung der Elektroden auf dem Hirnschnitt unter Sichtkontrolle durch das Mikroskop erlauben. Es wurden aus den neuronalen Messungen die Amplituden und Latenzen der exzitatorischen postsynaptischen Potenziale (EPSP) sowie der Feldpotenziale ausgewertet.
Der Versuchsaufbau macht es möglich, die Potenzialfelder mit genau den Konfigurationen abzutasten, mit denen auch die neuronalen Messungen des Hirnschnittes durchgeführt wurden. Das implementierte Programm zur Berechnung der Feldverteilung besitzt zum Messprogramm ein Interface, so dass es möglich ist, die Einstellungen des Experimentes, wie Stimulationskonfigurationen, Abtastraster des Feldes und die Koordinaten des Messraums, in der Modellrechnung zu verwenden. Somit ist ein direktes Vergleichen zwischen Messung und Berechnung möglich. In nachfolgenden Arbeiten können die vorliegenden Ergebnisse als Grundlage für in-vivo Versuche eingesetzt werden.
Zur Durchführung der Messungen wurden sehr kleine Elektroden aus eigener Herstellung verwendet und es wurden uns freundlicherweise neu entwickelte Folienelektroden des Fraunhofer Instituts St. Ingbert zur Verfügung gestellt. Die Größe der verwendeten Kleinst-Vielkanalelektroden aus eigener Herstellung lag um ca. eine Zehnerpotenz unter den aktuell eingesetzten Elektrodentypen und ist speziell für den direkten Kontakt zwischen Elektrode und Gewebe konzipiert. Dies entspricht dem typischen Einsatzbereich von Hirnstammimplantaten. Dies ist auch notwendig, um eine maximale räumliche Separation der erzeugten Felder zu ermöglichen. Außerdem erlaubte das Elektrodendesign auf Grund der hohen Anzahl der Elektrodenkanäle und durch variieren der Konfigurationen die Feldrichtung zu bestimmen, ohne die Elektrode neu auf den Hirnschnitt aufsetzen zu müssen.
Der in dieser Arbeit implementierte Algorithmus zur Berechnung der Feldverteilungen und die eingeführten Qualitätsparameter erlauben, die unterschiedlichen Stimulationskonfigurationen miteinander zu vergleichen und zu optimieren. Die Ergebnisse aus diesen Modellrechnungen wurden sowohl mit den Messungen der elektrischen Felder als auch mit den Ergebnissen aus den neuronalen Antworten verglichen.
Der im Rahmen dieser Arbeit erstellte Versuchsaufbau bestand aus einer über mehrere Mikromanipulatoren getriebene mikrometergenaue Positioniereinrichtung. Es konnten sowohl die Stimulationselektrode als auch die Elektrode zur Aufzeichnung der neuronalen Daten gesteuert werden. Die Steuerung des gesamten Setup, d.h. die Positionierung, die Aufzeichnung der neuronalen Daten und die Generierung der Stimulationsmuster wurde über den zentralen Messrechner durch ein hierfür entwickeltes Computerprogramm gesteuert. Die Versuche wurden über ein inverses Mikroskop durch eine CCD-Kamera aufgezeichnet.
Der entscheidende Vorteil des in dieser Arbeit gewählten Modellansatzes besteht in der grundsätzlichen Beschreibung der Feldverteilung bei vielkanaliger Stimulation, so dass diese auch auf andere Elektrodenformen bzw. Konfigurationen und Dimensionen übertragbar ist. Es lassen sich so den verschiedenen Konfigurationen nach bestimmten Qualitätskriterien bewerten und an die jeweilige Zielrichtung der Stimulation anpassen. Die berechneten Felder konnten erfolgreich in der Messeinrichtung generiert und nachgemessen werden. Außerdem ist es gelungen, differenzierte neuronale Aktivitäten auszuwerten, welche die Aussagen des Modells abstützen.
The equation of state (EoS) of matter at extremely high temperatures and densities is currently not fully understood, and remains a major challenge in the field of nuclear physics. Neutron stars harbor such extreme conditions and therefore serve as celestial laboratories for constraining the dense matter EoS. In this thesis, we present a novel algorithm that utilizes the idea of Bayesian analysis and the computational efficiency of neural networks to reconstruct the dense matter equation of state from mass-radius observations of neutron stars. We show that the results are compatible with those from earlier works based on conventional methods, and are in agreement with the limits on tidal deformabilities obtained from the gravitational wave event, GW170817. We also observe that the resulting squared speed of sound from the reconstructed EoS features a peak, indicating a likely convergence to the conformal limit at asymptotic densities, as expected from quantum chromodynamics. The novel algorithm can also be applied across various fields faced with computational challenges in solving inverse problems. We further examine the efficiency of deep learning methods for analyzing gravitational waves from compact binary coalescences in this thesis. In particular, we develop a deep learning classifier to segregate simulated gravitational wave data into three classes: signals from binary black hole mergers, signals from binary neutron star mergers, or white noise without any signals. A second deep learning algorithm allows for the regression of chirp mass and combined tidal deformability from simulated binary neutron star mergers. An accurate estimation of these parameters is crucial to constrain the underlying EoS. Lastly, we explore the effects of finite temperatures on the binary neutron star merger remnant from GW170817. Isentropic EoSs are used to infer the frequencies of the rigidly rotating remnant and are noted to be significantly lower compared to previous estimates from zero temperature EoSs. Overall, this thesis presents novel deep learning methods to constrain the neutron star EoS, which will prove useful in future, as more observational data is expected in the upcoming years.
Determination of the structure of complex I of Yarrowia lipolytica by single particle analysis
(2004)
Komplex I enthält ein Flavinmononukleotid sowie mindestens acht Eisen- Schwefel Zentren als redoxaktive Cofaktoren. Da ein wesentlicher Teil des mitochondrialen Genoms für Untereinheiten von Komplex I codiert, betrifft eine Vielzahl von mitochondrialen Erkrankungen diesen Enzymkomplex.
Komplex I wurde bisher aus Mitochondrien, Chloroplasten und Bakterien isoliert. Die Minimalform von Komplex I wird in Bakterien gefunden, wo er aus 14 (bzw 13 im Falle einer Genfusion) Untereinheiten besteht und eine Masse von etwa 550 kDa aufweist. Generell werden sieben hydrophile und sieben hydrophobe Untereinheiten mit über 50 vorhergesagten Transmembranhelices gefunden. Im Komplex I aus Eukaryoten wurde eine grössere Anzahl zusätzlicher, akzessorischer Untereinheiten nachgewiesen. Hier werden die sieben hydrophoben Untereinheiten vom mitochondrialen Genom codiert, während alle anderen Untereinheiten kerncodiert sind und in das Mitochondrium importiert werden müssen.
Die obligat aerobe Hefe Yarrowia lipolytica wurde als Modellsystem zur Untersuchung von eukaryotischem Komplex I etabliert. Die bisher am besten untersuchte Hefe Saccharomyces cerevisiae enthält keinen Komplex I. Hier wird die Oxidation von NADH durch eine andere Klasse von sogenannten alternativen NADH Dehydrogenasen durchgeführt. Auch Y. lipolytica enthält ein solches alternatives Enzym, das allerdings mit seiner Substratbindungsstelle zur Aussenseite der inneren Mitochondrienmembran orientiert ist. Durch molekularbiologische Manipulation konnte eine interne Version dieses Enzymes exprimiert werden, wodurch es möglich ist, letale Defekte in Komplex I Deletionsmutanten zu kompensieren. Mittlerweile wurden alle Voraussetzungen geschaffen, um kerncodierte Untereinheiten von Komplex I aus Y. lipolytica gezielt genetisch zu verändern. Die Proteinreinigung wird durch die Verwendung einer auf einem His-tag basierenden Affinitätsreinigung erheblich erleichtert...
The core of this work is represented by the investigation of the chiral phase transition, using Monte Carlo simulations and unimproved staggered fermions, both in the weak and strong coupling regimes of Quantum Chromodynamics. Based on recent results from Monte Carlo simulations, both using unimproved staggered fermions and Wilson fermions, the chiral phase transition in the continuum and chiral limit shows compatibility with a second-order phase transition for Nf (number of flavours) in range [2:7], at zero baryon chemical potential. This achievement relies on the analytic continuation of Nf to non-integer values on the lattice, which allows to make use of extrapolation techniques to the chiral limit, where simulations are not possible. Furthermore, these results provide a resolution to the ambiguous scenario for Nf = 2 in the chiral limt. The first part of this thesis is devoted to the investigation of the chiral phase transition when a non-zero imaginary baryon chemical potential is involved, whose value corresponds to the 81% of the Roberge-Weiss one. Using the same extrapolation techniques aforementioned, the order of the chiral phase transition in the continuum and chiral limit shows compatibility with a second-order phase transition for Nf in range [2:6], highlighting a lack of dependence of the order of the chiral phase transition on the imaginary baryon chemical potential value. The second part of this thesis is about the study of the extension of the first-order chiral region in the strong coupling regime, at zero baryon chemical potential. Using Monte Carlo techniques, this can be done by investigating the Z2 boundary on a coarse lattice, whose temporal extent reads Nt = 2, and simulations are realised for Nf = 4, 8. The results in the weak coupling regime show, for $Nt = 8, 6, 4 and fixed Nf value, an inflating first-order chiral region. As in the strong coupling limit a second-order chiral phase transition is expected, the first-order chiral region has to shrink as the strong coupling regime is approached, resulting in a non-monotonic behaviour of the Z2 boundary. For Nf = 8, a critical mass on the Z2 boundary has been obtained, confirming the expected non-monotonic behaviour. For Nf = 4 the results do not provide a unique conclusion: Either a Z2 boundary at extremely low bare quark mass or a second-order chiral phase transition in the O(2) universality class in the chiral limit can take place. In addition to the two main topics, the performances of the second-order minimum norm integrator (2MN) and the fourth-order minimum norm integrator (4MN) have been compared, after implementing the 4MN one in the CL2QCD code used to realise our simulations. The 2MN integrator had already been implemented in the code since the first version was released. The two integrators belong to the class of symplectic integrators and represent an essential component of the RHMC algorithm, involved in our investigation. This step is extremely important, in order to guarantee the best quality when collecting data from simulations, and the results of the comparison suggested to favor the 2MN integrator, for both the topics.
A powerful technique to distinguish the enantiomers of a chiral molecule is the Coulomb Explosion Imaging (CEI). This technique allows us to determine the handedness of a single molecule. In CEI, the molecule becomes charged by losing many electrons in a very short period of time by interacting with the light. The repulsion forces between the positive charged particles of the molecule leads the molecule to break into parts-fragments. By measuring the three vector momentum of (at least) four fragments, the handedness observable can be determined. In this thesis, CEI is induced by absorption of a single high energy photon, which creates an inner-shell hole (K shell) of the molecule. The subsequent cascade of Auger decays lead to fragmentation. We decided to work with the formic acid molecule in this thesis. Two different experiments were conducted. The first experiment focused on exciting electrons to different energy states, while the second experiment focused on extracting directly a photoelectron to the continuum and measure the angular distribution of the photoelectron in the molecular frame. The primary goal was to search for chiral signal in a pure achiral planar molecule under the previous electron processes. The results of these findings were further implemented to two more molecules.
In the framework of the LHC Injectors Upgrade Project (LIU), the CERN Proton Synchrotron Booster (PSB) went through major upgrades resulting in new effects to study, challenges to overcome and new parameter regimes to explore. To assess the achievable beam brightness limit of the machine, a series of experimental and computational studies in the transverse planes were performed. In particular, the new injection scheme induces optics perturbations that are strongly enhanced near the half-integer resonance. In this thesis, methods for dynamically measuring and correcting these perturbations and their impact on the beam performance will be presented. Additionally, the quality of the transverse beam distributions and strategies for improvement will be addressed. Finally, the space charge effects when dynamically crossing the half-integer resonance will be characterized. The results of these studies and their broader significance beyond the PSB will be discussed.
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.