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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.
Quasi-zweidimensionale organischen Ladungstransfersalze weisen gewisse Analogien zu den Hochtemperatur-Kupratsupraleitern (HTSL) auf. Zu nennen ist einerseits der ähnliche schichtartige Aufbau, wobei sich leitfähige und isolierende Ebenen abwechseln. Zum anderen liegt der antiferromagnetische Grundzustand in direkter Nachbarschaft zur Supraleitung und bei höheren Temperaturen wird ebenfalls die Entstehung einer Pseudo-Energielücke diskutiert. Im Gegensatz zu den HTSL können die elektronischen Eigenschaften der organischen Ladungstransfersalze jedoch leicht durch äußere Parameter wie hydrostatischen bzw. chemischen Druck - die Verwendung verschiedener Anionen X läßt sich in einem verallgemeinerten Phasendiagramm ebenfalls auf die Achse W/U abbilden, siehe Abschn. 4.2 - oder moderate Temperaturen beeinflußt werden. In den quasi-zweidimensionalen K-(BEDT-TTF)2X-Salzen ist bspw. ein moderater Druck p ~ 250 bar ausreichend, um das antiferromagnetisch-isolierende System (X=Cu[N(CN)2]Cl) auf die metallische Seite des Phasendiagramms zu verschieben, wobei dann im Grundzustand Supraleitung auftritt (Tc ~ 12,8 K). Eine Dotierung wie bei den HTSL und die damit einhergehende unerwünschte Unordnung ist nicht notwendig um einen Isolator-Metall-übergang zu induzieren. Demnach sind die experimentellen Anforderungen im Vergleich zu anderen stark korrelierten Elektronensystemen auf relativ einfache Weise zu realisieren. Auch das macht die organischen Ladungstransfersalze zu idealen Modellsystemen, um fundamentale Konzepte der theoretischen Festkörperphysik zu studieren, wovon einige bislang lediglich von akademischem Interesse waren. Erstmalig wird in dieser Arbeit die Fluktuationsspektroskopie als experimentelle Methode angewendet, um die Dynamik des TT-Elektronensystems in den quasi-zweidimensionalen organischen Ladungstransfersalzen K-(BEDT-TTF)2X bei niedrigen Frequenzen zu studieren. Ziel ist es, Informationen über die Temperatur-, Druck- und Magnetfeld-Abhängigkeit der spektralen Leistungsdichte des Widerstandsrauschens und damit über die Dynamik der Ladungsfluktuationen zu gewinnen. Insbesondere in der Nähe korrelationsgetriebener Ordnungsphänomene spielt die Dynamik der Ladungsträger eine entscheidende Rolle. Auch die Kopplung des elektronischen Systems an bestimmte strukturelle Anregungen hat Einfluß auf das Widerstandsrauschen. Zu Beginn wird eine kurze Einführung in die Signalanalyse gegeben und daran anschließend werden verschiedene Arten des Rauschens in Festkörpern dargestellt (Kap. 1). Einige der für diese Arbeit relevanten Ordnungsphänomene werden in Kap. 2 in knapper Form eingeführt, wobei auf die dynamischen Eigenschaften in der Nähe eines Glasübergangs etwas ausführlicher eingegangen wird. Nach der Vorstellung der eingesetzten Meßmethoden, des Versuchsaufbaus und der Probenkontaktierung (Kap. 3) werden die experimentellen Ergebnisse an den K-(BEDT-TTF)2X-Salzen in Kap. 4 ausführlich diskutiert.
In einer Gabor-Linse wird durch ein axiales magnetisches Feld und ein longitudinales Potential ein so genanntes nichtneutrales Plasma (NNP) stabil eingeschlossen. Das elektrische Feld der Ladungsträgerwolke wirkt fokussierend auf Ionenstrahlen, die das Linsenvolumen passieren. Dieses Konzept, das D. Gabor 1946 vorstellte, wurde hinsichtlich seiner Eignung zur Ionenstrahlfokussierung seit den 1970-er Jahren untersucht, denn Gabor-Linsen ermöglichen eine elektrostatische Fokussierung erster Ordnung bei gleichzeitiger Raumladungskompensation im gesamten Transportkanal und haben damit einen großen Vorteil gegenüber den konventionellen Linsensystemen. Hauptsächlich zwei Gründe sprachen jedoch nach den meisten Experimenten gegen einen Einsatz dieses Linsentyps in Beschleunigern: Die erreichte Einschlusseffizienz und die Abbildungseigenschaften der eingeschlossenen Raumladungswolke blieben weit hinter den Erwartungen zurück. Erst ein geändertes Konzept zur Befüllung der Linse mit Elektronen und ein parallel zu den Experimenten entwickeltes numerisches Verfahren zur Bestimmung der Plasmaparameter ermöglichte die Entwicklung eines Linsensystems, das die Vorteile gegenüber konventionellen Ionenoptiken sichtbar werden ließ In der vorliegenden Arbeit wird neben der theoretischen Beschreibung des Plasmaeinschlusses der Aufbau und die Funktionsweise einer Gabor-Linse dargestellt. Experimentelle Befunde zur Strahlinjektion in einen RFQ unter Verwendung einer LEBT-Sektion, bestehend aus zwei Gabor-Linsen werden präsentiert. Nach der Beschleunigung des Ionenstrahles durch einen RFQ auf eine Energie von etwa 440 keV sollten Transportexperimente zeigen, ob eine neu entwickelte Hochfeld Gabor-Linse (HGL) zur Fokussierung dieses Strahles eingesetzt werden kann. Die Strahlenergie ist dabei mit der vergleichbar, die im HIF-Projekt (Heavy Ion Fusion) für die Injektion des Bi1+-Strahles in die erste Beschleunigerstruktur geplant ist. Insbesondere war bei den Experimenten mit dem durch den RFQ beschleunigten Strahl die Einschlusseffizienz bezüglich der Elektronendichte in der HGL von Interesse und auch das Verhalten des NNP bei der Fokussierung eines gepulsten Ionenstrahles.
Mit der vorliegenden Arbeit wurden zu ersten Mal die seit mehreren Jahren vorhergesagten dynamischen Aufbruchsmechanismen - der direkte, der sequentielle und der asynchrone Zerfall - in mehratomigen Molekülen kinematisch vollständig untersucht. Experimentell wurde hierfür ein Kohlenstoffdioxid-(CO2)-Molekül in langsamen Ion-Molekül Stößen dreifach ionisiert, indem die Elektronen des Targets von den langsamen, hochgeladenen Projektilionen (Ar8+-Ionen) eingefangen wurden. Die Untersuchung des Zerfalls des CO2-Ions in die einfach geladenen ionischen Fragmente C+ + O+ + O+ zeigte, dass bei diesem Zerfall das Projektilion vornehmlich einen positiven Ladungszustand von q = 6 und nicht den zunächst erwarteten Ladungszustand q = 5 aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die eingefangenen Elektronen oftmals elektronisch hoch angeregte Zustände im Projektil populieren und demnach im weiteren Verlauf über Autoionisationsprozesse dieses auch wieder verlassen können. Ähnliche Autoionisationsprozesse können auch im Target ablaufen, treten dort jedoch mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit auf, da der Wirkungsquerschnitt für Autoionisationsprozesse im Target um einen Faktor 1,3 kleiner ist als für Autoionisationen im Projektil. Zusätzlich zeigte die Untersuchung der Stoßdynamik, dass der dreifache Elektroneneinfang primär bei einer parallelen Orientierung der Molekülachse zur Projektilstrahlachse auftritt. Eine weitere Abhängigkeit der Stoßdynamik zum Beispiel vom Stoßparameter beziehungsweise vom Streuwinkel konnte nicht beobachtet werden. Durch die koinzidente Messung aller vier Reaktionsteilchen konnte der Kanal Ar8+ + CO2 --> Ar6+ + C+ + O+ + O+ eindeutig bestimmt werden und die Reaktionsdynamik des CO2-Ions nach dem Stoß analysiert werden. Dabei tritt deutlich der direkte Aufbruch hervor, bei welchem die drei einfach geladenen Ionen sich rein aufgrund ihrer Coulombkräfte voneinander abstoßen. Bei einer solchen Coulombexplosion bleibt dem Molekülion kaum Zeit, um eine molekulare Schwingung zu vollführen. Neben diesem schnellen Zerfall konnten aber auch jene Zerfälle beobachtet werden, bei denen das Molekülion zuerst molekular schwingt und dann zu einem späteren Zeitpunkt in die ionischen Fragmente zerfällt. Dieser letztere Zerfallsprozess gehört zu den sogenannten asynchronen Zerfallsmechanismen. Er stellt einen Zwischenprozess zwischen dem reinen 1-Stufen-Prozess wie dem direkten Aufbruch und dem reinen 2-Stufen-Prozess dar. Bei solchen sequentiellen 2-Stufen Prozessen fragmentiert das CO2-Molekül im ersten Schritt in ein O+- und ein CO2+-Ion. Im zweiten Schritt dissoziiert dann das CO2+-Fragment, nachdem es nahezu keine Wirkung der Coulombkräfte des ersten Sauerstoffions mehr spürt, in ein C+- und ein O+-Ion. Durch die Darstellung der Schwerpunktsimpulse der Fragmente in Dalitz- und Newton-Diagrammen ist es mit dieser Arbeit erstmals gelungen diesen sequentiellen Prozess experimentell eindeutig nachzuweisen. In der weiteren Analyse konnte gezeigt werden, dass über die im System deponierte Energie, welche über die kinetische Energie der Fragmente bestimmt wird, die verschiedenen Reaktionsmechanismen direkt kontrolliert werden können. Speziell bei Energien unterhalb von 20 eV wurde gezeigt, dass es keine Potentialflächen gibt, die über einen direkten bzw. simultanen Aufbruch zu dem Endzustand C+ + O+ + O+ führen. Bei mehratomigen Molekülen erweist sich das Treffen detaillierter Aussagen über mögliche Dissoziationskanäle ohne die genaue Kenntnis der Lage der Potentialflächen und den Übergängen zwischen diesen als äußerst schwierig. Selbst bei genauer Kenntnis der Lage und Form der Potentialflächen, ist es aufgrund der hohen Dichten innerhalb der Übergangsbereiche der Potentialflächen nahezu unmöglich, den Verlauf der Dissoziationskanäle zu verfolgen. Mit dieser Arbeit ist es gelungen, die verschiedenen Reaktionskanäle ohne die Existenz von Energiepotentialflächen eindeutig zu identifizieren. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Energie, die während des Stoßes im Molekül deponiert wird, eine Schlüsselgröße darstellt, mit welcher die Fragmentationskanäle direkt kontrolliert werden können.
The brain is a large complex system which is remarkably good at maintaining stability under a wide range of input patterns and intensities. In addition, such a stable dynamical state is able to sustain essential functions, including the encoding of information about the external environment and storing memories. In order to succeed in these challenging tasks, neural circuits rely on a variety of plasticity mechanisms that act as self-organizational rules and regulate their dynamics. Based on toy models of self-organized criticality, this stable state has been proposed to be a phase transition point, poised between distinct types of unhealthy dynamics, in what has become known as the critical brain hypothesis. It is not yet known, however, if and how self-organization could drive biological neural networks towards a critical state while maintaining or improving their learning and memory functions.
Here, we investigate the emergence of criticality signatures in the form of neuronal avalanches due to self-organizational plasticity rules in a recurrent neural network. We show that power-law distributions of events, widely observed in experiments, arise from a combination of biologically inspired synaptic and homeostatic plasticity but are highly dependent on the external drive. Additionally, we describe how learning abilities and fading memory emerge and are improved by the same self-organizational processes. We finally propose an application of these enhanced functions, focusing on sequence and simple language learning tasks.
Taken together, our results suggest that the same self-organizational processes can be responsible for improving the brain’s spatio-temporal learning abilities and memory capacity while also giving rise to criticality signatures under particular input conditions, thus proposing a novel link between such abilities and neuronal avalanches. Although criticality was not verified, the detailed study of self-organization towards critical dynamics further elucidates its potential emergence and functions in the brain.
Cryo-electron tomography (CET) is a unique technique to visualize biological objects under near-to-native conditions at near-atomic resolution. CET provides three-dimensional (3D) snapshots of the cellular proteome, in which the spatial relations between macromolecular complexes in their near native cellular context can be explored. Due to the limitation of the electron dose applicable on biological samples, the achievable resolution of a tomogram is restricted to a few nanometers, higher resolution can be achieved by averaging of structures occurring in multiples. For this purpose, computational techniques such as template matching, sub-tomogram averaging and classification are essential for a meaningful processing of CET data.
This thesis introduces the techniques of template matching and sub-tomogram averaging and their applications on real biological data sets. Subsequently, the problem of reference bias, which restricts the applicability of those techniques, is addressed. Two methods that estimate the reference bias in Fourier and real space are demonstrated. The real space method, which we have named the “M-free” score, provides a reliable estimation of the reference bias, which gives access to the reliability of the template matching or sub-tomogram averaging process. Thus, the “M-free” score makes those approaches more applicable to structural biology. Furthermore, a classification algorithm based on Neural Networks (NN) called “KerDenSOM3D” is introduced, which is implemented in 3D and compensates for the missing-wedge. This approach helps extracting different structural states of macromolecular complexes or increasing the class purity of data sets by eliminating outliers. A comprehensive comparison with other classification methods shows superior performance of KerDenSOM3D.
The present thesis is primarily concerned with the application of the functional renormalization group (FRG) to spin systems. In the first part, we study the critical regime close to the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) transition in several systems. Our starting point is the dual-vortex representation of the two-dimensional XY model, which is obtained by applying a dual transformation to the Villain model. In order to deal with the integer-valued field corresponding to the dual vortices, we apply the lattice FRG formalism developed by Machado and Dupuis [Phys. Rev. E 82, 041128 (2010)]. Using a Litim regulator in momentum space with the initial condition of isolated lattice sites, we then recover the Kosterlitz-Thouless renormalization group equations for the rescaled vortex fugacity and the dimensionless temperature. In addition to our previously published approach based on the vertex expansion [Phys. Rev. E 96, 042107 (2017)], we also present an alternative derivation within the derivative expansion. We then generalize our approach to the O(2) model and to the strongly anisotropic XXZ model, which enables us to show that weak amplitude fluctuations as well as weak out-of-plane fluctuations do not change the universal properties of the BKT transition.
In the second part of this thesis, we develop a new FRG approach to quantum spin systems. In contrast to previous works, our spin functional renormalization group (SFRG) does not rely on a mapping to bosonic or fermionic fields, but instead deals directly with the spin operators. Most importantly, we show that the generating functional of the irreducible vertices obeys an exact renormalization group equation, which resembles the Wetterich equation of a bosonic system. As a consequence, the non-trivial structure of the su(2) algebra is fully taken into account by the initial condition of the renormalization group flow. Our method is motivated by the spin-diagrammatic approach to quantum spin system that was developed more than half a century ago in a seminal work by Vaks, Larkin, and Pikin (VLP) [Sov. Phys. JETP 26, 188 (1968)]. By embedding their ideas in the language of the modern renormalization group, we avoid the complicated diagrammatic rules while at the same time allowing for novel approximation schemes. As a demonstration, we explicitly show how VLP's results for the leading corrections to the free energy and to the longitudinal polarization function of a ferromagnetic Heisenberg model can be recovered within the SFRG. Furthermore, we apply our method to the spin-S Ising model as well as to the spin-S quantum Heisenberg model, which allows us to calculate the critical temperature for both a ferromagnetic and an antiferromagnetic exchange interaction. Finally, we present a new hybrid formulation of the SFRG, which combines features of both the pure and the Hubbard-Stratonovich SFRG that were published recently [Phys. Rev. B 99, 060403(R) (2019)].
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.
Ende der 70ger Jahre, fünf Jahre nach der Einführung des ersten kommerziellen, medizinischen Computertomographen wurde die Tomographie am Los Alamos Scientific Laboratory zum ersten Mal für die Diagnose von Teilchenstrahlen angewendet. Bei der Tomographie wird aus eindimensionalen Projektionen, sogenannten Profilen, welche in möglichst vielen Winkeln um ein Objekt herum aufgenommen werden, ein zweidimensionales Abbild der Dichteverteilung (Slice oder Scheibe) approximiert. Dies ist möglich durch das bereits 1917 von Johann Radon eingeführte Fourier-Scheiben-Theorem. In der Theorie kann die zwei-dimensionale Dichteverteilung exakt ermittelt werden, wenn Projektionen mit einer unendlich feinen Auflösung über unendlich viele Winkel um ein Objekt herum in die Rekonstruktion einbezogen werden. Durch die Rekonstruktion vieler Scheiben kann ein drei-dimensionales Abbild der Dichteverteilung in einem Objekt, in diesem Fall einem Ionenstrahl, berechnet werden, sofern dieses nicht optisch dicht ist.
Die Profile in der nicht-invasiven Strahldiagnose entstehen durch CCD-Kameraaufnahmen von strahlinduzierter Fluoreszenz, welche durch den Einlass von Restgas hervorgerufen wird. Es sind aber auch Profile, welche aus anderen Methoden gewonnen werden (z.B. Gittermessungen) denkbar. An Orten mit hoher Energie ist jedoch eine nicht-invasive Form der Profilaufnahme sowohl für die Qualität des Strahls, wie auch den Schutz der Messgeräte unabdingbar.
In den letzten 40 Jahren wurden im Bereich der Strahltomographie viele wichtige Fortschritte erzielt:
1. Anfangs standen nur sehr wenige Profile zur Verfügung, so dass die Methode der gefilterten Rückprojektion(FBP), welche sich direkt aus dem Fourier-Scheiben-Theorem ableitet und welches auch in der Medizin verwendet wird, nicht angewendet werden kann. Um dieses Problem zu lösen wurden iterative Methoden wie die Algebraische Rekonstruktion (ART) und die Methode der Maximalen Entropie (MEM) für die Strahltomographie erschlossen, so dass auch mit sehr geringer Profilanzahl eine Rücktransformation möglich wurde.
2. Neben der Ortsraumtomographie wurde die Phasenraumtomografie entwickelt, so dass mittlerweile eine Rekonstruktion des sechs-dimensionalen Phasenraumes möglich ist, mit welchem ein Ionenstrahl in seiner Gesamtheit beschrieben werden kann.
3. Die Projektionen wurden lange Zeit durch Aufnahmen von mehreren festen Anschlüssen aus gewonnen (Multi-Port-Technik). Auf diese Weise ist die Anzahl der möglichen Projektionen sehr begrenzt. So entwickelte man später eine Methode welche den Strahl mit Hilfe von Quadrupolen dreht (Quad-Scan-Technik), so dass auf diese Weise von einem Anschluss aus viele Projektionen gemessen werden konnten, so dass sogar die FBP angewendet werden konnte.
4. Die meisten Bestrebungen zielten darauf ab, die Tomographie für eine nicht-invasive Emittanzmessmethode zu nutzen, welches bis heute aufgrund der großen und noch immer zunehmenden Energien in modernen Beschleunigern ein wichtiges Problem ist. Um die Tomographie zur Emittanzmessung zu verwenden, führt man eine Rekonstruktion des Phasenraumes durch. Das Problem ist, dass hierfür das a priori Wissen über die Strahltransportmatrix in die Tomographie mit einfließt, die berechnete Strahltransportmatrix
jedoch nicht mit dem tatsächlichen Strahltransport übereinstimmt, da dieser bei hohen Energien durch auftretende Raumladung nicht-linear verändert wird. Hierzu wurden gute Fortschritte in der Abschätzung der tatsächlichen Transportmatrix gemacht um die Phasenraumtomographie trotzdem mit hinreichend gutem Ergebnis durchführen zu können.
Trotz all dieser Fortschritte und Entwicklungen ist die Tomographie bis heute keine weitverbreitete Methode in der Strahldiagnose. Der Grund ist, dass das Einrichten einer Tomografie eine komplexe Abfolge etlicher Entscheidungen und weitgestreutes Wissen aus vielen unterschiedlichen Bereichen erfordert, dieser nicht zu unterschätzende Mehraufwand jedoch auch durch einen signifikanten Nutzen gerechtfertigt sein muss. Der große Nutzen der Tomographie für die Strahldiagnose und Untersuchung der Strahldynamik ist bis heute allerdings weitgehend unerkannt und weiterhin reduziert auf die Entwicklung einer nicht-invasiven Methode für die Emittanzbestimmung. Ein zweites Hindernis stellte bisher auch die Diskrepanz zwischen Genauigkeit und Platzaufwand dar (hohe Genauigkeit durch viele Projektionen mit Quad-Scan-Technik auf mehreren Metern oder niedrige Genauigkeit durch wenig Projektionen mit Multi-Port-Technik auf weniger als einem Meter). Die Tomografie kann großen Nutzen leisten für die Online-Überwachung wichtiger Maschineneparameter im Strahlbetrieb (Monitoring) als auch für detaillierte Analysen zur Strahldynamik (Modellierung) weit über die Implementierung einer nicht-invasiven Emittanzmessmethode hinaus.
Um dies zu gewährleisten Bedarf es Zweierlei. Zum einen muss die Diskrepanz zwischen Genauigkeit und Platzaufwand aufgehoben werden. Hierzu wurde im Rahmen dieser Arbeit eine rotierbare Vakuumkammer entwickelt die nach dem Vorbild medizinischer Tomographen in mehr als 5000 Winkelschritten um den Strahl herum fahren kann, dabei ein Vakuum von mindestens 10-7mbar aufrecht erhält und einen Platzbedarf von weniger als 400 mm in der Strahlstrecke einnimmt. Zum anderen muss die Implementierung der Tomografie durch eine Angabe von schematischen Schritten und Entscheidungen vereinfacht werden. Eine Strahltomographie muss immer auf ihren jeweiligen Zweck hin implementiert werden, da Einzelelemente der Tomografie wie beispielsweise Messvorrichtung und dadurch die Profilanzahl, zu verwendender Tomographiealgorithmus, zu bestimmende Parameter sich je nach Einsatz unterscheiden können. Jedoch können die dazu nötigen Entscheidungen in ein Schema eingeordnet werden, welches die Implementierung der Tomographie vereinfacht und beschleunigt. Hierzu wurde in dieser Arbeit eine Diagnosepipeline und ein Entscheidungsschema eingeführt, sowie die Implementierung nach diesem Schema am Beispiel einer Strahltomographie für die Frankfurter Neutronenquelle (FRANZ) demonstriert und die entsprechenden Fragen und Entscheidungen diskutiert. Es wird gezeigt, wie sich aus den Messdaten über die Aufbereitung der Daten durch die Tomografie die erforderlichen Standardstrahlparameter für ein Monitoring gewinnen lassen. Zusätzlich wird ein Ebenen-Modell eingeführt, über welches nicht-Standardparameter oder neu modellierte Strahlparameter für detaillierte Analysen der Strahldynamik über die Standardparameter hinaus entwickelt werden können. Diese Arbeit soll ein grundlegendes Konzept für die routinemäßige Implementierung der Tomographie in der Strahldiagnose zur Verfügung stellen. Für die Verwendung zum Monitoring im Strahlbetrieb muss die Bestimmung von Standardparametern noch wesentlich im Zeitaufwand verbessert werden. Die Verwendung der Phasenraumtomographie benötigt noch eine Idee um den arcustangensförmigen Verlauf der berechneten Phasenraumrotationswinkel mit der Forderung der FBP nach äquidistanten Projektionswinkeln verträglicher zu machen.
In den Neurowissenschaften führt die Erforschung des vegetativen Nervensystem (VNS) immer noch ein Schattendasein. Einer der wichtigsten Teile des VNS, der Hirnstamm, ist dabei besonders schlecht erforscht, obwohl er die Steuerzentren für Herzschlag, Blutdruckregulation, Atmung, Verdauung, und viele weitere lebenswichtige Funktionen beherbergt. Ein wichtiger Grund für diesen Umstand ist, dass die funktionelle Kernspintomographie (fMRT) sich in ihrer bisherigen Form nur bedingt für Messungen im Hirnstamm eignet. Ziel dieser Arbeit war es daher, neue Ansätze zur fMRT-Messung vegetativer Zentren im menschlichen Hirnstamm zu entwickeln. Nach einer Einführung in die Neuroanatomie sowie die physikalischen und physiologischen Grundlagen der strukturellen und funktionellen MRT werden im mittleren Teil der Arbeit die Entwicklung sowie der Test neuer Ansätze zur Hirnstamm-fMRT beschrieben. Dabei untersucht der Autor zunächst, welche grundlegenden Probleme einer konventionellen fMRT-Messung im Hirnstamm entgegenstehen. Es stellt sich heraus, dass alle hirnstamm-spezifischen Störquellen direkt oder indirekt auf den Herzschlag zurückzuführen sind. Aus den vorhandenen Ansätzen zur Korrektur solcher Störungen wird die Herzschlag-Taktung ausgewählt. Bei diesem Verfahren erfolgt die Aufnahme der fMRT-Bilder zeitlich gekoppelt an dem Herzschlag des Probanden, um sämtliche kardiogenen Rauschquellen zu unterdrücken. Anstelle des häufig verwendeten, aber statistisch problematischen Guimaraes-Verfahrens zur Korrektur der durch die Herzfrequenzvariabilität bedingten Schwankungen des MR-Signals wird in der vorliegenden Arbeit der die sog. Dual-Echo-Bildgebung verwendet. Dabei wird die konventionelle EPI-Sequenz (echo-planar imaging) dahingehend erweitert, dass pro Bild anstelle eines Echos zwei aufgenommen werden. Durch Quotientenbildung der beiden Bilder kann so der fluktuierende Teil des Signals entfernt werden. Beim Vergleich verschiedener Varianten der Quotientenbildung stellt sich ein neu entwickelter, exponentieller Ansatz als überlegen heraus. Danach werden die Auswirkungen verschiedener Methoden der Bewegungskorrektur und Schichtorientierung verglichen, um das Optimum für Messungen im Hirnstamm zu ermitteln. Nach Tests des neuen Verfahrens an verschiedenen fMRT-Datensätzen werden Empfehlungen für die Kombination der verschiedenen Parameter gegeben. Es zeigt sich, dass die Standardabweichung der fMRT-Bilder mit der neuen Methode im unteren Hirnstamm um 13% - 33% reduziert werden kann. Ein Sensitivitätstest an motorischen Hirnstammkernen, welche durch ein motorisches Paradigma aktiviert werden, zeigt, dass die jeweiligen Kerne in 85% - 95% der Fälle eindeutig identifiziert werden können. Im dritten Teil der Arbeit erfolgt die Anwendung der neuen Methode auf die Messung von Aktivierungen vegetativer Zentren. Hier wird als unkonventionellen Stimulus des vegetativen Nervensystems die Akupunktur verwendet. Dies geschieht u.a. mit der Zielsetzung, zur Aufdeckung des noch immer unbekannten Wirkmechanismus dieser Therapieform beizutragen. Als Akupunkturpunkt wird Pc6 am Handgelenk gewählt, da die Studienlage eindeutig dessen Effektivität bei der Behandlung von Übelkeit und Erbrechen sowie eine Beeinflussung der Magen-Peristaltik zeigt und die neuralen Zentren hierfür größtenteils im Hirnstamm lokalisiert sind. Der Autor stellt daher die Hypothese auf, dass die Akupunkturwirkung in diesem Fall über den Vagusnerv und dessen Hirnstammkern, den Nucleus dorsalis nervi vagi, vermittelt wird. Vor der Überprüfung dieser Hypothese erfolgt zunächst eine Methodenkritik der bisherigen Akupunktur-fMRT-Forschung. Anhand einer Gruppe von Studien, welche über Aktivierungen der Sehrinde bei Akupunktur visuell relevanter Punkte berichten, weist der Autor eine Reihe methodischer Probleme nach. Anhand einer eigenen Studie kann er mittels Independent Component Analysis (ICA) zeigen, dass die von den bisherigen Studien berichteten, visuellen Aktivierungen höchstwahrscheinlich nicht auf die Wirkung der Akupunktur zurückzuführen sind. Um einige der Probleme dieser Studien zu umgehen, entwickelt der Autor ein neues psychophysikalisches Verfahren, bei dem die Probanden während der Akupunktur kontinuierlich die Stärke der Nadelempfindung („DeQi“) auf einer visuellen Analogskala bewerten. Mit Hilfe dieses Verfahrens gelingt schließlich der Nachweis einer Hirnstamm-Aktivierung unter Akupunktur-Stimulation, deren Lokalisation mit der des Nucleus dorsalis nervi vagi vereinbar ist. Dies bestätigt die ursprüngliche Hypothese und zeigt gleichzeitig die Eignung des neuen Verfahrens für die Bildgebung vegetativer Hirnstammzentren.
The main purpose of the Transition Radiation Detector (TRD) located in the central barrel of ALICE (A Large Ion Collider Experiment) is electron identification for separation from pions at momenta pt > 1 GeV/c, since in this momentum range the measurements of the specific energy loss (dE/dx) of the Time Projection Chamber (TPC) is no longer sufficient. Furthermore, it provides a fast trigger for high transverse momentum charged particles (pt > 3 GeV/c) and makes a significant contribution to the optimization of the tracking of reaction products in heavy-ion collisions. Its whole setup comprises 18 supermodules out of which 13 are presently operational and mounted cylindrically around the beam axis of the Large Hadron Collider (LHC). A supermodule contains either 30 or 24 chambers, each consisting of a radiator for transition radiation creation, a drift and an amplifying region followed by the read-out electronics. In total, the TRD is an array of 522 chambers operated with about 28 m3 of a Xe-CO2 [85-15%] gas mixture. During the work of this thesis, the testing, commissioning, operation and maintenance of detector parts, the gas system and its online quality monitor, improvements on the detector control user-interface and studies about a new pre-trigger module for data read-out have been accomplished. The TRD gas system mixes, distributes and circulates the operational gas mixture through the detector. Its overall optimization has been achieved by minimizing gas leakage, surveying, controlling, maintaining and continuously improving it as well as designing and carrying out upgrades. Gas quality monitors of the type \GOOFIE" (Gas prOportional cOunter For drIfting Electrons) can be used in gaseous detectors as on-line monitors of the electron drift velocity, gain and gas properties. One of these devices has been implemented within the TRD gas system, while another one surveys the gas of the TPC. Both devices had to be adapted to the specific needs of the detectors, were under constant surveillance and control, and needed to be further developed on both hardware and software side. To improve the operation of the TRD, modifications on its DCS software (Detector Control System) used for monitoring, controlling, operating, regulating and configuring of hardware and computing devices have been carried out. The DCS is designed to enable an operator to interact with equipment through user interfaces that display the information from the system. The main focus of this work was laid on the optimization of the usability and design of the user interface. The front-end electronics of the TRD require an early start signal (\pre-trigger") from the fast forward detectors or the Time-Of-Flight detector during the running periods. The realization of a new hardware concept for the read-out of the TRD pre-trigger system has been studied and first tests were performed. This new module called PIMDDL (Pre-trigger Interface Module Detector Data Link) is meant to acquire all data necessary to simulate and predict the full pre-trigger functionality, and to verify its proper operation. Furthermore, it shall provide all functionalities of the so-called Control Box Bottom as well as keep the functionalities of the already existing PIM (Pre-trigger Interface Module) in order to combine and replace these two modules in the future.
In den vergangen Jahren wurde erkannt, dass eine Quantenfeldtheorie (QFT) namens Quantenchromodynamik (QCD) die richtige Theorie der starken Wechselwirkungen ist. QCD beschreibt erfolgreich die starken Wechselwirkungen, die Quarks zu Nukleonen und Nukleonen zu Atomkernen zusammenbinden. Jedoch ist die theoretische Beschreibung vieler Phänomene der starken Wechselwirkung aufgrund des starken Kopplungsverhaltens bei niedrigen Energien schwierig. Stoßexperimente mit Schwerionen sind ein möglicher Weg, um die charakteristischen Phänomene und Eigenschaften der QCD-Materie zu untersuchen. In Stoßexperimenten mit Schwerionen werden schwere (d.h. große) Atomkerne aufeinander geschossen, beispielsweise Gold (am RHIC) oder Blei (am CERN, LHC), mit einer ultrarelativistischen Energie √s im Schwerpunktsystem. Auf diese Art ist es möglich, eine große Menge von Materie mit hoher Energiedichte hervorzubringen. Das Ziel von Schwerionenkollisionen ist die Erzeugung und Charakterisierung einer makroskopischen Phase von freien Quarks und Gluonen im lokalen thermischen Gleichgewicht. Ein solcher Aggregatzustand kann neue Informationen über das QCD-Phasendiagramm und den QCD-Phasenübergang liefern. Man nimmt an, dass ein solcher Übergang stattfand, als sich die Materie des frühen Universums von einem Plasma aus Quarks und Gluonen (QGP) in ein Gas von Hadronen umwandelte...
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 der hier vorliegenden Arbeit wurden Fragen der atomaren Korrelation sowie Verschränkung untersucht und ein Beobachtungsfenster geöffnet, durch welches es möglich ist, Einblick in die Grundzustandswellenfunktion von Helium zu erhalten. Der Elektronentransfer (Pq++He->P(q-1)++He+) in schnellen Ion-Atom-Stößen findet im Bereich des Überlapps der Wellenfunktionen des gebundenen Anfangs- und Endzustandes statt [JOpp28a, MMcD70]. Daher kann diese Reaktion besonders selektiv an der Grundzustandswellenfunktion angreifen. Die bei der Transferionisation (Pq++He->P(q-1)++He2++e-) zusätzlich stattfindende Ionisation involviert auch das zweite Elektron. Dadurch ist es möglich die komplexe Vielteilchendynamik zu untersuchen und wie später in dieser Arbeit gezeigt wird, unter bestimmten Bedingungen auch sensitiv auf die Anfangszustandskorrelation zu sein! Die Messungen wurden mit H+-, He+- und He2+-Projektilen bei Einschussenergien von 40 - 630 keV/u (1,25 < vP < 5,02 a. u.) durchgeführt. Durch den Elektronentransferprozess wird auch die Vermessung des Endzustandes, den Impulsen, aller drei Teilchen (Projektil, Elektron und He2+-Rückstoßion) erleichtert. Durch das umgeladene, dann neutrale, Projektil werden zusätzlich die Post-Collision-Effekte minimiert. Zur experimentellen Untersuchung kommt die seit Jahren etablierte Technologie des Reaktionsmikroskops (COLTRIMS, COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) zum Einsatz [HSch89, RDoe00a, JUll03], die sich durch eine 4¼-Impulsakzeptanz für alle emittierten Teilchen auszeichnet. Nach Kreuzung der Projektilionen mit einem kalten und wohl lokalisierten Gasstrahl werden die umgeladenen Projektile detektiert. Die im Überlappbereich entstehenden Elektronen und Ionen werden mittels elektrischer und magnetischer Felder ebenfalls auf orts- und zeitauflösenden Detektoren projiziert. Anhand des Auftreffortes und der Flugzeit können die dreidimensionalen Impulsvektoren eindeutig rekonstruiert werden. Je nach Energie Projektile dominieren unterschiedliche atomare Reaktionsmechanismen. Entsprechend sind es zwei Fragenkomplexe, denen sich diese Arbeit hauptsächlich widmet: - Was ist die Reaktionsdynamik? Welche Mechanismen tragen zur Reaktion bei und wie hängen diese von Projektilladung und -energie ab? - Lässt sich die Grundzustandswellenfkt. mit dieser Technik abbilden? Die erzielten Ergebnisse sehen wie folgt aus: - Im Bereich langsamer Stöße (vP <= vB;e) wird der Stoßprozess in einem quasimolekularen Bild beschrieben (Sattelpunktionisation). Hier konnten im Wesentlichen die experimentellen Ergebnisse von Schmidt zum symmetrischen Stoßsystems He2+/He [LSch00] bestätigt und zu höheren Projektilgeschwindigkeiten fortgeschrieben werden (60 keV/u). Für die Stoßsysteme He+/He und H+/He wurden sehr ähnliche Emissionsstrukturen im Impulsraum gefunden. - Bei allen untersuchten Projektilenergien und Stoßsystemen wurde eine vom Elektroneneinfang unabhängige Stoßionisation durch Wechselwirkung mit dem Projektil (Binary Encounter, BE) gefunden. Die Erwartung, dass der Targetkern nur Beobachter der Ionisation ist, wurden eindeutig widerlegt und die Abweichungen als Folge von Korrelationseffekten gedeutet. - Speziell für das Stoßsystem He+/He bei 60 keV/u wurden sehr viele im Geschwindigkeitsraum um vP verteilte Elektronen beobachtet und einem Dreistufenprozess zugeschrieben: Zuerst erfolgt die Ionisation des Projektils und anschließend ein resonanter Zweielektroneneinfang. - Wird ein Elektron sehr schnell entfernt, wie durch den Elektroneneinfang bei hohen Projektilgeschwindigkeiten (vP ¸ 3 a. u.) findet die Ionisation sehr häufig durch Shake-off [TAbe67] statt. Die Elektronen wurden entgegen der Strahlrichtung emittiert, zu negativen Longitudinalimpulsen. Darüberhinaus wurde kein Unterschied zwischen den verschiedenen Projektilen beobachtet. Da für den Shake-off-Prozess unter den hier realisierten Bedingungen das Projektil nicht mit dem emittierten Elektron wechselwirkte, spiegelt die Elektronenimpulsverteilung direkt den, durch den Elektroneneinfang präparierten Anteil, der Grundzustandswellenfunktion wider [AGod04, MSch05]. Theoretische Rechnungen bestätigen, dass die rückwärtige Elektronenemission nur durch die stark korrelierten nicht-s2-Anteile im Heliumgrundzustand zu erklären ist. Diese Beimischungen höherer Drehimpulse von weniger als 2 % konnten entgegen der verbreiteten Lehrmeinung zum ersten Mal experimentell nachgewiesen und vermessen werden.
We consider the theory of high temperature superconductivity from the viewpoint of a strongly correlated electron system. In particular, we discuss Gutzwiller projected wave functions, which incorporate strong correlations by prohibiting double occupancy in orbitals with strong on-site repulsion. After a general overview on high temperature superconductivity, we discuss Anderson’s resonating valence bond (RVB) picture and its implementation by renormalized mean field theory (RMFT) and variational Monte Carlo (VMC) techniques. In the following, we present a detailed review on RMFT and VMC results with emphasis on our recent contributions. Especially, we are interested in spectral features of Gutzwiller-Bogoliubov quasiparticles obtained by extending VMC and RMFT techniques to excited states. We explicitly illustrate this method to determine the quasiparticle weight and provide a comparison with angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) and scanning tunneling microscopy (STM). We conclude by summarizing recent successes and by discussing open questions, which must be solved for a thorough understanding of high temperature superconductivity by Gutzwiller projected wave functions.
HADES : ein Dielektronenspekrometer hoher Akzeptanz für relativistische Schwerionenkollisionen
(1995)
Das Dielektronenspektrometer HADES (High Acceptance Dielectron Spectrometer) wird gegenwärtig am Schwerionensynchrotron der Gesellschaft für Schwerionenforschung (Darmstadt) aufgebaut. Die Spektroskopie von Elektron-Positron-Paaren (Dielektronen) aus Kern-Kern-Kollisonen mit Projektilenergien von 1 bis 2 GeV/Nukleon verspricht einen Einblick in die Eigenschaften von Hadronen bei Dichten, die das Dreifache von normaler Kerndichte erreichen. Es wird erwartet, daß sich die Massenverteilung der unterhalb der Schwelle erzeugten leichten Vektormesonen rho. omega und phi anhand ihres Zerfalls in Dielektronen experimentell untersuchen läßt. Die Beobachtung von Massenänderungen kann Hinweise auf die Restauration der im Vakuum gebrochenen chiralen Symmetrie geben. Die Eigenschaften des Spektrometers wurden in der vorliegenden Arbeit mit Simulationsrechnungen (GEANT) untersucht und optimiert. Zur Leptonenidentifizierung dient ein ortsempfindlicher Cerenkov-Zähler (RICH1) mit Gasradiator, azimutal symmetrischem Spiegel und V-Photonendetektor. Durch die geometrische Anordnung des RICH und mit sechs supraleitenden Spulen in toroidaler Anordung erreicht HADES eine Polarwinkelakzeptanz von 18 bis 85 Grad. Die Feldverteilung ist der kinematischen Impulsverteilung angepaßt und garantiert Feldfreiheit im RICH. Je ein Paar Minidriftkammern vor und hinter dem Magnetfeldbereich messen die Trajektorie zur anschließenden Rekonstruktion von Impuls, Winkel und Vertex. Zuletzt passieren die Teilchen META, eine Detektorkombination von Szintillatoren und Schauerdetektor. Aus der Multiplizität geladener Teilchen in den Szintillatoren werden zentrale Kollisionen für den Trigger der ersten Stufe selektiert. Den Trigger der zweiten Stufe definieren zwei erkannte Ringe im RICH, die jeweils einem Elektronensignal in META zuzuordnen sind. HADES ist ein Experiment der zweiten Generation. Die Messungen mit dem Dileptonenspektrometer DLS am BEVALAC (Berkeley, USA) ergaben nur für leichte Stoßsysteme e+e- -Spektren guter Statistik. HADES besitzt mit 35% die hundertfache geometrische e+e- - Akzeptanz des DLS. Darüber hinaus können mit einer Massenauflösung von weniger als 1% (DLS 12%) die e+e- -Beiträge von omega- und rho-Meson getrennt werden. Es ist für die Anforderungen von Au+Au-Kollisionen bei hohen Kollisionsraten von 106 pro Sekunde konzipiert. Bei einer Anzahl von bis zu 170 Protonen und 20 geladenen Pionen sowie mehr als 0.1 e+e- -Paaren durch den pi 0-Zerfall werden pro zentralerKollision etwa 10 exp 6 Dielektronen aus dem rho- oder omega-Zerfall erwartet. Leptonen, die aus dem Zerfall verschiedener pi 0-Mesonen stammen, bilden kombinatorische e+e- -Paare, die auch im e+e- -Massenbereich der Vektormesonen beitragen können. Durch Rekonstruktion und durch Methoden der Untergrunderkennung wird der e+e- -Untergrund um nahezu zwei Größenordnungen unterdrückt, während die Effizienz für echte Dielektronen etwa 55% beträgt. Die Leptonen des verbleibenden Untergrunds stammen zu mehr als 50% aus dem pi-0-Dalitz-Zerfall und zu etwa 40% aus externer Paarkonversion von ..-Quanten des Zerfalls pi 0.. , wobei Konversionsprozesse im Radiatorgas und im Target zu gleichen Teilen beitragen. pi 0-Dalitz-Zerfall überwiegt im kombinatorischen Massenspektrum bis 500 MeV/c2 ; oberhalb von 500 MeV/c2 dominiert externe Paarkonversion.
The first measurement of the fluctuation of the kaon-to-proton ratio in relativistic heavy-ion collisions is presented. This thesis details the analysis procedure for identifying kaons and protons using the NA49 experiment at CERN-SPS and discusses the results in the context of the current state of the field.
In this thesis, Hanbury-Brown-Twiss (HBT) interferometry is used together with the Ultrarelativistic Quantum Molecular Dynamics (UrQMD) to analyse the time and space structure of heavy-ion collisions.
The first chapter after the introduction gives an overview of the different types of models used in the field of heavy-ion collisions and a introduction of the UrQMD model in more detail. The next chapter explains the basics of Hanbury-Brown-Twiss correlations, including azimuthally sensitive HBT (asHBT).
Results section:
4. Charged Multiplicities from UrQMD
5. Formation time via HBT from pp collisions at LHC
6. HBT analysis of Pb+Pb collisions at LHC energies
7. HBT scaling with particle multiplicity
8. Compressibility from event-by-event HBT
9. Tilt in non-central collisions
10. Shape analysis of strongly-interacting systems
11. Measuring a twisted emission geometry
This thesis covers the standard integrated HBT analyses, extracting the Pratt-Bertsch radii, at LHC energies. The analyses at these energies showed a too soft expansion in UrQMD probably related to the absence of a partonic phase in UrQMD. The most promising results in this thesis at these energies are the restriction of the formation time to a value smaller than 0.8 fm/c and furthermore, the results from the asHBT analyses. In simulations of non-central heavy-ion collisions at energies of Elab= 6, 8 and 30 AGeV the validity of the formulae to calculate the tilt angle via asHBT has been checked numerically, even for the case of non-Gaussian, flowing sources. On this basis has been developed and test in the course of this thesis that allows to measure a scale dependent tilt angle experimentally. The signal should be strongest at FAIR energies.
Experimente zum radiativen Elektroneneinfang (REC, Radiative Electron Capture), der Zeitumkehrung der Photoionisation, wie er in Stößen hochgeladener, relativistischer Schwerionen mit leichten Gasatomen auftritt, ermöglicht einen einzigartigen Zugang zum Studium der Photonen-Materie-Wechselwirkung im Bereich extrem starker Coulombfeldern. So ist die REC-Strahlung im relativistischen Bereich zum einen geprägt durch das Auftreten von höheren elektrischen und magnetischen Multipolordnungen und zum anderen durch starke Retardierungseffekte. In Folge dessen wurde der REC-Prozeß in den vergangen Jahren sehr detailliert untersucht, wobei sich die experimentelle und theoretische Forschung auf die Emissionscharakteristik der REC-Photonen konzentrierte, wie z.B. auf Untersuchungen von Winkelverteilungen und Linienprofilen. Mittlerweile kann der REC-Prozeß als ein - selbst für die schwersten Ionen - wohlverstandener Effekt angesehen werden. Allerdings entzog sich den Experimenten bislang eine zur Beschreibung der Photonenmission wesentlich Größe, näamlich die Polarisation der Strahlung. Die lineare Polarisation der REC-Strahlung, wie sie in Stößen zwischen leichten Atomen und den schwersten, hochgeladenen Ionen vorhergesagt wird, war der Gegenstand der vorliegende Arbeit, in der es erstmals gelang, die diese für den konkreten Fall des Einfangs in die K-Schale von nackten Uranionen nachzuweisen und im Detail zu untersuchen. Die hierzu notwendigen experimentellen Untersuchungen erfolgten am Speicherring ESR der GSI-Darmstadt für das Stoßsystem U92+ -> N2 und für Projektilenergien, die im Bereich zwischen 98 und 400 MeV/u lagen. Besonders hervorzuheben ist der Einsatz eines segmentierten Germaniumdetektors, der speziell für den Nachweis linear polarisierter Strahlung im Energiebereich oberhalb 100 keV entwickelte wurde. Die lineare Polarisation der Strahlung wurde hierbei durch eine Analyse der Comptonstreuung innerhalb des Detektors gewonnen. Die durch eine präzise Analyse der Comptonstreuverteilungen gewonnenen Daten zeigen eine ausgeprägte lineare Polarisierung der REC-Strahlung in der Streuebene, die zudem eine starke Abhängigkeit als Funktion der Stoßenergie und des Beobachtungwinkels aufweist. Der detaillierte Vergleich mit nicht-relativistischen und relativistischen Vorhersagen ermöglichte darüberhinaus den Nachweis für das Auftreten starker relativistischer Effekte, die sich allerdings depolarisierend auswirken. Das Experiment wurde am internen Target des ESR-Speicherrings durchgeführt, wobei der Photonennachweis mittels mehrerer Ge(i)-Detektoren erfolgte, die die Ionen-Target-Wechselwirkungszone unter Beobachtungswinkeln zwischen nahe Null und 150 Grad einsahen. Alle Photonendetektoren wurden in Koinizidenz mit einem Teilchendetektor betrieben, um so die volle Charakteristik des REC-Prozesses zu erfassen, also den Einfang eines Targetelektrons in die nackten Uranionen (U92+) unter Emission eines Photons. Für den Polarisationsnachweis entscheidend war der Einsatz eines Germanium-Pixel-Detektors, der abwechselnd unter den Winkeln von 60 und 90 Grad betrieben wurde. Dieser Detektor verfügt über eine 4x4 Pixelmatrix (Pixelgröße: 7x7 mm), wobei die elektronische Information jedes Pixels (Energiesignale und schnelle Zeitsignale) separat registriert und aufgezeichnet wurde. Hierdurch war es möglich Ereignisse, die koinzident in zwei Pixeln erfolgten, zu detektieren und zu analysieren. Dies ist die eigentliche Voraussetzung für den Nachweis der linearen Polarisation bei hohen Photonenenergien, bei dem die Abhängigkeit des differenziellen Wirkungsquerschnitts für Comptonstreuung von der linearen Polarisation der einfallenden Photonen ausgenutzt wird (siehe Klein-Nishina Formel Eq. 2.7). Der Nachweis der Comptonstreuung erfolgt hierbei durch die Detektion des Compton-Rückstoßelektrons (deltaE) und des gestreuten Comptonphotons (hw'), die jeweils separat, aber koinzident in zwei unterschiedlichen Segmenten des Detektors nachgewiesen werden. Hier sei betont, dass für Germanium bereits ab Photonenenergien von ca. 160 keV die Absorption der Strahlung durch den Compton-Effekt über die Photoabsorption dominiert und somit das Ausnutzen des Compton-Effekts prinzipiell eine sehr effektive Technik ist. Der Auswertung der Datenfkam wesentlich zugute, dass der Germanium-Detektor über eine im Vergleich zu Szintillations- oder Gaszählern gute Energieauflösung von ca. 1.8 keV bei 122 keV verfügt. Somit kann durch Bilden der Summenenergie hw = hw' + deltaE für koinzidente Ereignisse die Energie des einfallenden Photons (hw) rekonstruieren werden und als zwingende Bedingung dafür herangezogen werden, dass es sich bei dem Ereignis im Detektor um ein Compton-Event gehandelt hat. Für den Fall linearer Polarisation ist eine wesentliche Aussage der Klein-Nishina-Formel, dass die maximale Intensität für die Compton gestreuten Photonen senkrecht zur Polarisationsebene zu erwarten ist. Tatsächlich zeigen bereits die während des Experiments aufgenommenen Rohdaten für den Fall der untersuchten REC-Strahlung, die durch den Einfang in die K-Schale des Projektils entsteht, dass es sich hierbei um eine stark polarisierte Strahlung handelt, wobei eine erhöhte Intensität für Comptonstreuung senkrecht zur Stoßebene (für den REC-Prozeß definiert durch die Ionenstrahlachse und den Impuls des REC-Photons) festgestellt wurde (vgl. Fig. 7.3). Zur genauen qualitativen Analyse der Meßdaten wurden alle möglichen Pixelkombinationen der (4x4) Detektorgeometrie ausgewertet, wobei jedoch koinzidente Ereignisse benachbarter Segmente ausgeschlossen wurden, um den hier vorhandenenen Einfluß elektronischer Übersprecher zu eliminieren. Zudem erfolgte die Analyse der Daten unter Berücksichtigung verschiedenster Effekte, die einen Einfluß auf die Nachweiseffizienzen für die Compton gestreuten Photonen haben könnten. An prominenter Stelle ist hier die Korrektur zu nennen, die durch die Detektordicke von 1,5 cm und der Pixelgröße von 7x7 cm2 hervorgerufen wird. Zu betonen ist hier, dass für die Auswertung nur relative Effizienzen eine Rolle spielen und so der Einfluß systematischer Fehler, hervorgerufen durch Effizienzkorrekturen, stark reduziert werden konnte (für eine so gewonnene, vollständige Compton-Streuverteilung sei auf Abbildung 9.1 verwiesen, in der die Intensitätsverteilung für Compton-Streuung dargestellt ist). Es sei auch hervorgehoben, dass der Nachweis der Polarisation durch Messungen von vollständigen Compton-Intensitätverteilung im Detektor erfolgte, was das hier diskutierte Experiment wesentlich von konventionellen Polarisationsexperimenten für harte Röntgen- und gamma-Strahlung unterscheidet. Üblicherweise wird in diesen Experimenten die Comptonstreuung ausschließlich in der Reaktionsebene und senkrecht dazu nachgewiesen. Generell weisen die in der vorliegenden Arbeit gewonnen Compton-Streuverteilungen für den K-REC-Prozeß ein ausgeprägtes Maxium senkrecht zur Reaktionsebene auf und bestätigen somit den bereits aus den Rohdaten abgeleiteten Befund, dass die Polarisationsebene der KREC Strahlung in der Reaktionsebene des Stosses liegt. In der Tat kann dieser Befund für alle Energien und Beobachtungswinkel bestätigt werden, die in dem hier diskutierten Experiment verwendet wurden. Hier sei zudem darauf hingewiesen, dass es durch die Erfassung der vollständigen Compton-Streuverteilung möglich war, die Orientierung der Polarisationsebene in Bezug auf die Stoßebene mit hoher Präzision zu erfassen. So konnte z.B. bei der Stossenergie von 400 MeV/u und dem Winkel von 90 Grad, die Orientierung der Comptonstreuverteilung in Bezug auf die Stoßebene zu ph=90 Grad bestimmt werden. Dieser Befund könnte für die Planung zukünftiger Experimente zum Nachweis polarisierter Ionenstrahlen entscheidend sein, da eine Abweichung von der ph = 90 Grad Symmetrie nur durch das Vorhandensein polarisierter Teilchen erklärt werden kann. Dieser Effekt, der in neuesten theoretischen Behandlungen im Detail untersucht wurde, stellt gleichsam einen neuen Zugang zur Bestimmung des Polarisationsgrads der Projektile dar. Hierdurch wird die Stärke der hier angewandten Technik verdeutlicht, die auf dem Einsatz eines ortsempfindlichen Germanium-Pixel- Detektors beruht. Die Bestimmung des genauen Polarisationsgrades für die K-REC-Strahlung erfolgte durch eine X2-Anpassung der Klein-Nishina-Formel an die experimentellen Daten. Die hieraus resultierenden Daten zeigen für alle Strahlenergien und Beobachtungsgwinkel eine starke Polarisation von etwa 80%, wobei die experimentelle Unsicherheit im 10% Bereich liegt. Letztere ist im wesentlichen auf die statistische Genauigkeit zurückzuführen. Die Daten wurden zudem eingehend mit theoretischen Vorhersagen verglichen. Die Theorie stützt sich auf eine vollständige relativistische Beschreibung des REC-Prozesses unter Verwendung exakter Wellenfunktionen für das Kontinuum und den 1s Zustand in wasserstoffartigem Uran. Typischer weise mußten bei den Rechnungen sowohl elektrische wie auch magnetische Multipolterme bis hin zu L=20 verwendet werden, um Konvergenz zu erreichen. Der Vergleich zeigt eine hervorragende Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie. Zudem verdeutlicht der Vergleich mit der ebenfalls diskutierten Vorhersage der nicht-relativistischen Dipolnäherung die Bedeutung relativistischer Effekte (vor allem das Auftreten höherer elektrischer und magnetischer Multipole), die für die Emission der REC-Strahlung bei hohen, relativistischen Energien und hohem Z charakteristisch sind. Offensichtlich wirken sich diese Effekte stark depolarisierend aus. Dass in der Tat eine Zunahme der depolarisierenden Effekte mit einer Zunahme der Strahlenergie verbunden ist, wird auch durch die Daten dokumentiert, die für den Beobachtungswinkel von 60 Grad als Funktion des Projektilenergie untersucht wurden. Die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Resultate für die Polarisation der REC-Strahlung ebenso wie die neuartige Experimenttechnik, die hierbei zum Einsatz kam, lassen für die nahe Zukunft eine Serie von weiteren Polarisations-Experimenten erwarten. Hierbei könnte der REC-Strahlung und deren Polarisation als Mittel zur Diagnostik und zum Nachweis des Polarisationsgrades gespeicherter Ionenstrahlen eine Schlüsselrolle zukommen. Als Detektorsysteme werden hierzu zwei-dimensionale Germanium- und Silizium-Streifen-Detektoren zum Einsatz kommen bzw. Kombinationen aus zweidimensionalen Silizium- und Germanium-Detektoren, sogenannte Compton-Teleskope. Diese Compton-Polarimeter, die gegenwärtig für neue Experimentvorhaben am ESR-Speicherring entwickelt werden, verfügen über eine wesentlich verbesserte Ortsauflösung (z.B. 1x1 mm2) und somit über eine wesentlich gesteigerte Nachweiseffizienz für die Comptonstreuung (ein bis zwei Größenordnungen). Hierdurch sollte es möglich sein, den für Polarisationexerperimente zugänglichen Energiebereich wesentlich auszudehnen, sodass selbst die charakteristische Strahlung der Schwerionen (ca. 50 bis 100 keV) für solche Experimente zugänglich wird.
The high energy loss of heavy ions in matter as well as the small angular scattering makes heavy ion beams an excellent tool to produce almost cylindrical and homogeneously excited volumes in matter. This aspect can be used to pump short wavelength lasers. In an experiment performed at the GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung, Darmstadt, Germany) ion accelerator facility in December 2005 the well-known KrF* excimer laser was pumped with an intense high energy uranium beam. Pulses of an uranium beam with initial particle energy of 250 MeV per nucleon, provided by heavy-ion-synchrotron SIS-18, were delivered to the HHT-target station and then stopped inside a gas laser cell. The maximum beam intensity reached in the experiment was 2,5·109 particles per pulse, which resulted in 34 J/g specific energy deposited in the laser gas. By applying electron cooling and a bunch compression technique at SIS-18, the beam pulses were compressed down to 110 ns (FWHM). A mixture of an excimer laser premix gas (95,5% Kr + 0,5% F2) and a buffer gas (Ar 4.8) was used as the laser gas in proportions of 35/65 and 60/40, respectively. The gas pressure inside the laser cell was varied in the range of 1,2÷2 bar in continues flow mode. The experimental setup consisted of a 1 m long stainless steel tube with a number of diagnostic viewports and two mirror adjustment units. The optical cavity was formed by a flat, Alcoated mirror at the beam entrance and a second dielectrically coated, highly reflective mirror with 3 m radius of curvature at a distance of 1,3 m. A beam of heavy ions has been used to pump a short wavelength gas laser for the first time. Laser effect on the KrF* laser transition (λ = 248 nm) has been successfully demonstrated. Laser threshold for this specific setup was reached with a beam intensity of 1,2·109 particles per pulse. Laser action has been clearly proofed by the following methods: appearance of the laser line, spectral narrowing of the laser line, temporal narrowing of the laser signal, non-linear response of the laser output intensity on the pumping power, and cavity disalignment effect. An energy of the laser pulse of about 2 mJ was measured for an ion beam intensity of 2·109 particles per pulse. The time delay of the onset of the laser emission with respect to the pumping pulse was measured as a function of ion beam intensity. The dependence of spontaneous emission spectra on the gas pressure in a range of 1,3÷2 bar was observed and the optimal gas pressure for laser experiments in the sense of laser efficiency was concluded. As a next step in studying short wavelength lasers pumped with heavy ion beams it is planned to reduce the laser wavelength down to the VUV region of the spectrum, and to proceed to the excimer lasers of the pure rare gases: Xe2 * (λ = 172 nm), Kr2 * (λ = 146 nm), Ar2 * (λ = 126 nm), Ne2 * (λ = 83 nm) and He2 * (λ = 80 nm). We believe that the use of heavy ion beams as a pumping source may lead to new pumping schemes on the higher lying level transitions and considerably shorter wavelengths (XUV and X-ray spectral region), which rely on the high cross sections for multiple ionization of the target species.
This thesis deals with the phenomenology of QCD matter, its aspects in heavy ion collisions and in neutron stars. The first half of the work focuses on the hadronic phase of QCD matter. One focus is on how the hadronic phase shows itself in heavy ion collisions and how its dynamics can be simulated. The role of hadronic interactions is considered in the context of the lattice QCD data. The second part of this thesis presents a unified approach to QCD matter, the CMF model. The CMF model incorporates many aspects of QCD phenomenology which allows for a consistent description of the hadron-quark transition, making it applicable to the entire QCD phase diagram, i.e., to the cold nuclear matter and to the hot QCD matter. It is shown that a description of both the hot matter created in heavy ion collisions and the cold dense matter in neutron star interiors is possible within one single approach, the CMF model.
In this thesis we explore the characteristics of strongly interacting matter, described by Quantum Chromodynamics (QCD). In particular, we investigate the properties of QCD at extreme densities, a region yet to be explored by first principle methods. We base the study on lattice gauge theory with Wilson fermions in the strong coupling, heavy quark regime. We expand the lattice action around this limit, and carry out analytic integrals over the gauge links to obtain an effective, dimensionally reduced, theory of Polyakov loop interactions.
The 3D effective theory suffers only from a mild sign problem, and we briefly outline how it can be simulated using either Monte Carlo techniques with reweighting, or the Complex Langevin flow. We then continue to the main topic of the thesis, namely the analytic treatment of the effective theory. We introduce the linked cluster expansion, a method ideal for studying thermodynamic expansions. The complex nature of the effective theory action requires the development of a generalisation of the linked cluster expansion. We find a mapping between generalised linked cluster expansion and our effective theory, and use this to compute the thermodynamic quantities.
Lastly, various resummation techniques are explored, and a chain resummation is implemented on the level of the effective theory itself. The resummed effective theory describes not only nearest neighbour, next to nearest neighbour, and so on, interactions, but couplings at all distances, making it well suited for describing macroscopic effects. We compute the equation of state for cold and dense heavy QCD, and find a correspondence with that of non-relativistic free fermions, indicating a shift of the dynamics in the continuum.
We conclude this thesis by presenting two possible extensions to new physics using the techniques outlined within. First is the application of the effective theory in the large-$N_c$ limit, of particular interest to the study of conformal field theory. Second is the computation of analytic Yang Lee zeros, which can be applied in the search for real phase transitions.
In this thesis we report on the high pressure synthesis, crystal growth, structural characterisation and magnetic properties of the cubic vanadate pyrochlores A2V2O7 (with A = Y, Er and Dy). We have found that high pressure is requisite for the stabilization of the selected compounds. For this purpose, a multianvil high pressure apparatus was built in our laboratory and a new multianvil inset (i.e., a ceramic pressure medium and the interior parts) was developed. The multianvil press is based on a hydraulic press with a maximum force of 7.73 MN (corresponds to 788 tons), a Walker type module and a specially designed hydraulic and electric control. Pressure calibration of the multianvil setup was performed by high pressure fixed points (i.e. solid-solid transformation of Bi I-II (2.55 GPa) and Bi II-III (3.15 GPa)). A maximum pressure of 6 GPa was attained using hardened metal anvils (tungsten carbide) with truncation edge length (TEL) of 14 mm and a sample volume of ~ 70 mm3. Heating of the sample in our current multianvil setup (TEL = 14 mm) was achieved by resistive heating of a graphite furnace. Temperatures up to 1500 °C could be obtained at pressures up to 6 GPa. By systematic variation of the synthesis conditions (for instance the operation temperature or the choice of the crucible material) under high pressure and taking into account the well known ternary compounds, when accessing the phase diagram, the cubic vanadate pyrochlores A2V2O7 (with A = Y, Er and Dy) were synthesized successfully. It was found that the oxygen partial pressure is crucial for the formation of the desired pyrochlore phase. Gas-tight platinum crucibles were used as container material for the synthesis of the vanadate pyrochlores. We have investigated, that pressures of the order of 5.0 GPa and temperatures of approximately 1200 °C are necessary for the stabilization of the monophasic samples of the vanadate pyrochlores. Lu2V2O7 could be synthesized under ambient pressure conditions and is used in our studies for comparison purposes. A special graphite furnace was developed for the high pressure crystal growth of the vanadate pyrochlores. For the first time, A2V2O7 (with A = Y, Er and Dy) single crystals with a maximum size of 0.4 mm were grown by using the grain growth method at high pressure and high temperature conditions. The samples (i.e., powders and single crystals) were characterised by single crystal Xray diffraction, X-ray powder diffraction method, Laue method and scanning electron microscopy (SEM). Complementary to the X-ray diffraction methods, infrared absorsoption spectroscopy was used to distinguish between the fluorite and pyrochlore structure. It has been shown that all samples crystallize in a well-ordered cubic structure with the space group F d 3m. The vanadium (+4) content in the samples was determined by oxidative weight gain in air using a thermogravimetric (TG) balance. A structural phase transformation of cubic to tetragonal was observed by differential thermal analysis (DTA) in conjunction with high temperature diffractometry. The magnetic characterisation of the vanadate pyrochlores A2V2O7 (Y, Lu, Er and Dy) was performed by Katarina Removic-Langer in the laboratory of Prof. Dr. M. Lang. All materials studied are ferromagnetic. The ferromagnetic critical temperatures are between 70 and 73 K. In case of Er2V2O7 and Dy2V2O7 an additional increase in the magnetization was observed below 20 K. The increase in the magnetization below 20 K exhibited by Er2V2O7 and Dy2V2O7 originates from the interactions between the two magnetic sublattices (i.e., the rare earth- and the vanadium sublattice).
This thesis is a summary of existing and upcoming publications, with a focus on high order methods in numerical relativity and general relativistic flows. The text is structed in five chapters. In the first three ones, the ADER-DG technique and its application to the Einstein-Euler equations is introduced. Novel formulations for both the Einstein equations in the 3+1 split as well as the general relativistic magnetohydrodynamics (GRMHD) had to be derived. The first order conformal and covariant Z4 formulation of Einstein equations (FO-CCZ4) is proposed and proven to be strongly hyperbolic. Together with the fluid equations of general relativistic magnetohydodynamics (GRMHD), a number of benchmark scenarios is presented to show both the correctness of the PDEs as well as the applicability of the numerical scheme.
As an application in astrophysics, a general-relativistic study of the treshold mass for a prompt-collapse of a binary neutron star merger with realistic nuclear equation of states has been carried out. A nonlinear universal relation between the treshold mass and the maximum compactness is found. Furthermore, by taking recent measurements of GW170817 into account, lower limits on the stellar radii for any mass can be given.
Furthermore, an (unpaired) work in quantum mechanical black hole engineering is presented. Higher dimensional extensions of generalized Heisenberg’s uncertainty principle (GUP) are studied. A number of new phenomenology is found, such as the existence of a conical singularity which mimics the effect of a gravitational monopole on short scale and that of a Schwarzschild black hole at a large scale, as well as oscillating Hawking temperatures which we call "lighthouse effect". All results are consistent with the self complete paradigm and a cold evaporation endpoint remnant.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Strahllagemonitor entwickelt, der nur aufgrund der Signale aus den HOM-Dämpfern einer Linearbeschleunigerstruktur die Strahllage mit hoher Genauigkeit bestimmen kann. Ein solcher Monitor hat gegenüber anderen Konzepten einige einzigartige Vorteile. Der HOM-Dämpfer-Strahllagemonitor benötigt keine zusätzlichen Einbauten im Strahlrohr oder der Beschleunigerstruktur. Daher wird keine zusätzliche Länge benötigt. Auch wird eine zusätzliche Emittanzerhöhung durch zusätzliche Impedanzen der Einbauten vermieden. Beide Punkte sind wichtig für den Betrieb eines linearen Kolliders. Ein zweiter Vorteil ist die Messung der Strahllage bezüglich der elektrischen Achse der verwendeten Dipolmode. Wenn als Dipolmode die höhere Mode mit dem störendsten Einfluß auf den Strahl verwendet wird, verfährt die Positionsregelung der Struktur diese automatisch auf die Position, an der der Einfluß dieser Mode minimal ist. Da die anderen Dipolmoden ähnliche Feldgeometrien haben, ist anzunehmen, das ihr Einfluß damit auch weitestgehend minimiert wird. Zur eindeutigen Bestimmung der Strahlposition in der Ebene wurde ein Verfahren entwickelt, daß die Amplituden und die Startphasendifferenz zwischen einer Dipolmode und einer höheren Monopolmode ausnutzt. Durch passende Wahl der Hohlleitergeometrie kann eine monopolartigen Mode in den Dämpferzellen etabliert werden, die das nötige Monopolsignal liefert und in der Frequenz mit der Dipolmode übereinstimmt. Diese Mode vereinfacht erheblich die entwickelte Signalverarbeitungsschaltung. Die Shuntimpedanz dieser Mode wird durch die Geometrie der Hohlleiter bestimmt und kann so eingestellt werden, daß sie für den Betrieb des Strahllagemonitors ausreicht, aber den Strahl noch nicht nennenswert beeinflußt. Durch die Verwendung einer strahlinduzierten Monopolmode als Phasenreferenz ist der Monitor unabhängig von externen Referenzsignalen und funktioniert ohne eingeschaltete Beschleunigungshochfrequenz oder bei falscher Phasenlage des Strahls. Dies ermöglicht es, die Beschleunigerstrukturen auch dann genau zu justieren, wenn der restlichte Beschleuniger noch nicht richtig eingestellt ist oder wenn zu Wartungszwecken einzelne Sektionen während des Betriebs nicht mit Hochfrequenz versorgt werden. Um die Eignung des vorhandenen SBLC-HOM-Dämpfers als Strahllagemonitor zu überprüfen wurden dreidimensionale numerische Feldberechnungen im Frequenz- und Zeitbereich und Messungen an der Dämpferzelle durchgeführt. Für die Messungen ohne Strahl wurde ein Strahlsimulator konstruiert und aufgebaut, der computergesteuerte Messungen mit variablen Ablagen des simulierten Strahls mit einer Auflösung von 1,23 μm erlaubt. Da die vollständige 6 m lange, 180-zellige Beschleunigerstruktur nicht für Messungen zur Verfügung stand und sich auch mit den verfügbaren Computern nicht dreidimensional simulieren ließ, wurde ein eindimensionales ersatzkreisbasiertes Modell des Vielzellers untersucht. Das Ersatzbild aus 879 konzentrierten Bauelementen berücksichtigt die Verstimmung von Zelle zu Zelle, die Zellenverluste, die Dämpferverluste und die Strahlanregung in Abhängigkeit von der Ablage. An dem Ersatzkreis lassen sich die gefangenen Moden und die Wirkung der Dämpfer beobachten. Es liefert bei der Simulation im Zeitbereich als Ergebnis Signale, die verwendet wurden, um die Funktion der Signalverarbeitungsschaltung an der vollständigen Beschleunigerstruktur zu untersuchen. Das eindimensionale Modell hat jedoch auch einige Einschränkungen. Es berücksichtigt nicht die Änderung der Randbedingungen in den Einzelzellen in Abhängigkeit vom Phasenvorschub. Auch beschränkt sich die Simulation auf einen kleinen Teil des durch den Strahl angeregten Frequenzbereiches. Es ist nicht auszuschließen, daß andere Frequenzen die Signalverarbeitungsschalung negativ beeinflussen. Ebenfalls unberücksichtigt bleibt der Einfluß der von Sendeklystron eingespeisten Hochfrequenzleistung. Um diese Einflüsse zu untersuchen wäre es erforderlich, Messungen am realen 180-Zeller mit Strahl und Klystron durchführen zu können. Die vorgenommenen Messungen am Einzeller zeigen, daß das Meßprinzip funktioniert, der vorhandene HOM-Dämpfer als Strahllagemonitor verwendbar ist und die entwickelte Signalverarbeitungsschaltung geeignet ist genaue Positionsinformationen zu liefern. Abgesehen von den ober angesprochenen Einschränkungen bestätigen die Simulationen des 180-Zellers die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Vielzeller. Die Messungen und Simulationen lassen eine Auflösung des fertigen Strahllagemonitors am 180-Zeller in der Größenordnung 1–10 μm und eine relative Genauigkeit kleiner 6,2 % erwarten. Es hat sich gezeigt, daß zur Erzielung hohe Genauigkeit zwei Komponenten des Strahllagemonitors besondere Aufmerksamkeit zu schenken ist. Zum einen muß der HOM-Dämpfer mit den paarweisen Auskoppelstellen präzise, mit guter Symmetrie gefertigt sein. Zum anderen hat der 180°-Hybrid am Eingang der Signalverarbeitungsschaltung großen Einfluß auf die erzielbare Genauigkeit. Beide Komponenten sind wichtig, um die monopol- und dipolartigen Komponenten aus dem ausgekoppelten Signalgemisch sauber voneinander trennen zu können. Wie die Messungen zeigten, ist ein schmalbandiger, auf die verwendete Meßfrequenz spezialisierter, selbst gefertigter Ringhybrid für diese Aufgabe erheblich besser geeignet als ein kommerziell erhältlicher Breitbandhybrid. Bei dem Ringhybrid gibt es jedoch auch noch Verbesserungsmöglichkeiten. Der Ringhybrid wurde präzise gefertigt. Er hat jedoch keine Abgleichmöglichkeit. Eine Korrekturmöglichkeit der Amplitude und Phase an den Eingängen könnte die Auflösung und Genauigkeit noch etwas steigern. Wenn bei der Simulation ein idealer 180°-Hybrid angenommen wird verschwindet ein Großteil des Fehlers. Der nächste Schritt bei der Weiterentwicklung der Signalverarbeitung könnte darin bestehen, die zur Zeit noch getrennt aufgebauten Hochfrequenzkomponenten auf einer gemeinsamen Platine zu integrieren. Zusammen mit dem Mikroprozessorsystem auf einer zweiten Platine entsteht so ein kompaktes System, daß sich preisgünstig in der für einen linearen Kollider erforderlichen großen Stückzahl fertigen läßt.
The mission of the Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment is to investigate the phase diagram of strongly interacting matter in the region of high net-baryon densities and moderate temperatures. According to various transport models, matter densities of more than 5 times saturation density can be reached in collisions between gold nuclei at beam energies between 5 and 11 GeV per nucleon, which will be available at FAIR. The core detector of the CBM experiment is the Silicon Tracking System (STS), which is used to measure the tracks of up to 700 particles per collision with high efficiency (>95%) and good momentum resolution (<1.5%). The technological and experimental challenge is to realize a detector system with very low material budget, in order to reduce multiple scattering of the particles, and a free-streaming data readout chain, in order to achieve reaction rates up to 10 MHz together with an online event reconstruction and selection.
The STS comprises 8 tracking stations positioned between 30 cm and 100 cm downstream the target inside a magnetic field, covering polar emission angles up to 25 degrees. A station consists of vertical structures with increasing number (between 8 and 16, depending on station number), each structure carrying between 2 and 10 double-sided microstrip silicon sensors, which are connected through low-mass microcables to the readout electronics placed at the detector periphery outside the active detector area.
The work presented in this thesis focuses on the detector performance simulation and local hit pattern reconstruction in the STS. For efficient detector design and reconstruction performance, a reliable detector response model is of utmost importance. Within this work, a realistic detector response model was designed and implemented in the CBM software framework. The model includes non-uniform energy loss of an incident particle within a sensor, electric field of a planar p-n junction, Lorentz shift of the charge carriers, their diffusion, and the influence of parasitic capacitances. The developed model has been verified with experimental data from detector tests in a relativistic proton beam. Cluster size distributions at different beam incident angles are sensitive to charge sharing effects and were chosen as an observable for the verification. Taking into account parasitic capacitances further improves the agreement with measured data.
Using the developed detector response model, the cluster position finding algorithm was improved. For two-strip clusters, a new, unbiased algorithm has been developed, which gives smaller residuals than the Centre-Of-Gravity algorithm. For larger clusters, the head-tail algorithm is used as the default one. For an estimate of the track parameters, the Kalman Filter based track fit requires not only hit positions but their uncertainties as an input. A new analytic method to estimate the hit position errors has been designed in this work. It requires as input neither measured spatial resolution nor information about an incident particle track. The method includes all the sources of uncertainties independently, namely: the cluster position finding algorithm itself, the non-uniform energy loss of incident particles, the electronics noise, and the discretisation of charge in the readout chip.
The verification with simulations shows improvements in hit and track pull distributions as well as x²-distributions in comparison to the previous simple approach. The analytic method improves the track parameters reconstruction by 5-10%.
Several STS module prototypes have been tested in a relativistic proton beam. A signal to-noise ratio was obtained at the level of 10-15 for modules made of 30 cm long microcable and of either one or two 6.2 x 6.2 cm² CiS sensors.
First simulations have shown that this signal-to-noise ratio is sufficient to reach the required efficiency and momentum resolution. The high-radiation environment of CBM operation will deteriorate the sensor performance. Radiation hardness of sensors has been studied in the beam with sensors irradiated to 2 x 10[hoch 14] 1MeV [neq/cm²], twice the lifetime dose expected for CBM operation. Charge collection efficiency drops by 17-25%, and simultaneously noise levels increase 1.5-1.75 times. The simulations show that if all sensors in the STS setup are exposed to such a fluence uniformly, the track reconstruction efficiency drops from 95.5% to 93.2% and the momentum resolution degrades from 1.6% to 1.7%.
Mikroentladungen bei hohem Druck und mit Gasfluss stellen eine vielseitig nutzbare Quelle für Ionen und kalte metastabile Atome dar. In dieser Arbeit werden grundlegende Untersuchungen an dieser neuen Hochdruckentladung zur Erzeugung von metastabilen Atomen und einfachgeladenen Ionen vorgestellt. Der innovative Ansatz ist die Nutzung mikrostrukturierter Elektroden (MSE) zur Erzeugung von nichtthermischen Entladungen mit Gleichspannung. Die spezielle porenförmige Geometrie erlaubt die Erzeugung von Entladungen bei einem Druck > 1000 hPa. Die Mikroentladung produziert metastabile Atome und Ionen in einem lokalisierten Volumen durch Stöße mit energiereichen Elektronen, wobei das Neutralgas in der Entladung im Vergleich zu den Elektronen kalt ist. Außerdem kann die Entladung mit erzwungenem Gasfluss durch die Pore betrieben werden, so dass die Plasmabestandteile (neutrale/angeregte Atome, Radikale, Ionen, etc.) extrahiert werden. Mit dieser neuen Methode kann bei der adiabatischen Expansion des Gases ins Vakuum ein gerichteter Gasstrahl, mit geringer interner Temperatur, im Bereich von einigen K erzeugt werden. Die Verweildauer des Gases in der Mikropore ist < 0,1 µs, so dass auch Zustände mit kurzer Lebensdauer extrahiert werden können. Die MSE lässt sich aufgrund der kleinen Abstände im µm Bereich als Mehrschichtsystem, aus zwei metallischen Elektroden, die durch einen Isolator getrennt sind, realisieren. Dieses Grundmaterial wird mit einzelnen oder einer Vielzahl von Poren mit typischerweise 100 µm Durchmesser versehen. Mit Hilfe dieser Mikrostrukturen lassen sich stabile, nicht filamentre, homogene Entladungen mit Gleichspannung in allen Gasen als auch Gasgemischen in einem weiten Druckbereich von 600 hPa bis 4000 hPa erzeugen. Die Druckverhältnisse in der Pore lassen sich durch den Gasfluss zwischen einigen ml/min bis l/min variieren. Die Verweildauer des Gases in der Pore kann durch den Gasfluss gesteuert werden. Zur Diagnose werden die Bestandteile des Plasmas mit dem Gasstrom extrahiert und expandieren adiabatisch ins Vakuum. Der Einfluss von Vordruck, Gasfluss, Entladestrom und Gaszusammensetzung auf die Eigenschaften des Plasma-Jets konnte auf diese Weise bestimmt werden. Durch die Kühlung der Mikroentladung konnte die interne Temperatur des Targets nochmals gesenkt und die Geschwindigkeit gezielt reduziert werden. Die Messung des Geschwindigkeitsprofils, die Zusammensetzung, etc. geben einen indirekten Einblick in die komplexen Prozesse der Mikroentladung, die mit konventionellen Analysemethoden nur schwer zugnglich sind. Die gemessenen Eigenschaften der MSE- unterstützten Hochdruckentladung sind vergleichbar mit klassischen Glimmentladungen, jedoch ist die Anregungs- und Ionisationswahrscheinlichkeit aufgrund der Geometrie größer. Unter definierten Rahmenbedingungen erlaubt diese neue Technik die Erzeugung eines gerichteten Plasma-Jets bestehend aus kalten metastabilen Atomen, Ionen, etc. Basierend auf diesem Prinzip wurde eine Quelle für metastabile Heliumatome aufgebaut und mit verschiedenen Methoden analysiert. Der 23S1- Zustand wird aufgrund seiner atomaren Struktur effektiv durch die energiereichen Elektronen in der Entladung angeregt. Die Gasströmung bestimmt den Druck und die Verweildauer im aktiven Volumen. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass mit diesem Aufbau kalte, metastabile Atomstrahlen mit einer Intensität von 6 mal 10 hoch 13 (s mal sr) hoch minus 1 und Geschwindigkeiten von 900-1800 m/s erzeugt werden können. Bei den gemessenen Dichten in der Pore von 6 mal 10 hoch 12 (cm) hoch minus 3 ist die Ausbeute durch das Quenching der metastabilen Atome beschränkt. Die Eigenschaften dieses exotischen Atomstrahls sind hinsichtlich der absoluten Geschwindigkeit und der Geschwindigkeitsverteilung identisch mit einem konventionellen Überschall-Gasstrahl. Die Qualität des Strahls, aufgrund seiner geringen internen Temperatur von einigen K, erlaubt die Trennung und Fokussierung des gewünschten Zustandes. In Kombination mit der Separationseinheit wurde die Mikroplasmaquelle zur Erzeugung eines metastabilen 2 3 S 1-Heliumtargets mit polarisiertem Elektronenspin verwendet. Bei der Separation wird durch den außermittigen Einschuss in den permanentmagnetischen Hexapol eine hervorragende räumliche Trennung der verschiedenen Zustände erreicht und die Ausdehnung des Targets im Fokus auf 1 mm hoch 2 reduziert. Die erreichte Targetdichte für den spinpolarisierten 2 3 S 1-Zustand liegt im Fokus bei 10 hoch 6 cm hoch -2. Die Charakterisierung des Strahlverlaufs als auch die Time-of-Flight-Messungen zeigen, dass es sich bei der MSE unterstützten Hochdruckentladung um eine nichtthermische Entladung mit vergleichbaren Eigenschaften wie Niederdruckglimmentladung handelt, d.h. neutrale/angeregte Atome und Elektronen sind nicht im Temperaturgleichgewicht. Die Gastemperatur wird somit in der Mikroentladung nicht erhöht. Die Messungen mit Düsentemperatur von 80 K haben dies ausnahmslos bestätigt. Mit dieser Quelle lassen sich auch feine Ionenstrahlen bei hohem Druck erzeugen. Bei erzwungener Gasströmung durch die Entladung werden die Ionen aus dem Bereich der Entladung extrahiert und können zur Diagnose der Hochdruckentladung ins Vakuum überführt werden. Die Ionenausbeute wurde für verschiedene Gase und Gasgemische in Abhängigkeit von Gasfluss, Entladestrom, Extraktionsspannung untersucht. Die Elektronenenergie reicht ausschließlich zur Produktion von einfachgeladenen Ionen bzw. Molekülen aus. Der Anteil an Metallionen zeigt deutlich, dass die Geometrie die Erzeugung von Sekundärelektronen an der Kathode unterstützt. Die Wechselwirkung der Ionen mit dem Überschall-Gasstrahl im Bereich zwischen Düse und Skimmer führt zu einer starken Energieverbreiterung. Dies kann jedoch durch eine modifizierte Extraktionsgeometrie reduziert werden, hierbei ist insbesondere auf die Raumladung im Bereich zwischen Düse und Skimmer zu achten. Die vorgestellten Messungen haben exemplarisch für Helium gezeigt, dass gerichtete, kalte, metastabile Atomstrahlen mit ausreichender Intensität für atomphysikalische Experimente erzeugt werden können. Auf Basis der grundlegenden Erkenntnisse lässt sich das spinpolarisierte Target im nächsten Schritt hinsichtlich der erreichten Ausbeute optimieren. Dazu ist es notwendig, die Bedingungen in der Expansionskammer zu verbessern, so dass die Plasmaquelle mit höherem Vordruck betrieben werden kann. In diesem Zusammenhang sollte auch der Abstand Düse Skimmer verringert und die Separationseinheit auf diese modifizierten Rahmenbedingungen angepasst werden. Durch diese Modifikation kann die Targetdichte für spinpolarisiertes, metastabiles Helium nochmals gesteigert werden. Mit der erreichten Targetdichte sind die grundlegenden Voraussetzungen für atomphysikalische Messungen an einem spinpolarisierten Target geschaffen. Durch Anpassung der Separationseinheit ist es prinzipiell auch möglich, andere exotische metastabile Targets mit polarisiertem Elektronenspin zu erzeugen.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und der Einkristallzüchtung der beiden Spin-Leiter-Verbindungen SrCu203 und Sr2Cu3O5 unter hohem Druck. Zunächst wird in einer Reihe von Versuchen ein geeignetes Tiegelmaterial ermittelt. Dabei stellen sich eine Doppeltiegelkonstuktion mit einem einkristallinen Magnesiumoxid-Innentiegel und einem verschweißbaren äußeren Platintiegel als beste Materialkombination heraus. Die Standzeit eines Versuchs lässt sich hiermit von den in der Literatur üblichen 30 Minuten um das 50 bis 100-fache verlängern. Durch Verwendung dieser Tiegelkombination können erstmals Züchtungsexperimente von SrCu203 und Sr2Cu305 aus der Schmelze erfolgreich durchgeführt werden. Für beide Zusammensetzungen konnten Kristalle mit Kantenlängen bis zu 2 mm hergestellt werden. Die besten Wachstumsbedingungen für SrCu203 liegen zwischen 3 und 5 GPa und zwischen 1400°C und etwa 1200°C. Diese Bedingungen wurden für stöchiometrische und auf etwa 70% Cu0 erhöhte Einwaagenzusammensetzungen ermittelt. Für Sr2Cu305 gelten ähnliche Züchtungsparameter. Durch die Züchtungsexperimente wurden neue Phasen, wie eine unbekannte Modifikation von Sr2Cu305 und eine nicht näher identifizierte ,243'-Phase gefunden. Das Auftreten der Fremdphase Sr2Cu02(C03) war zunächst überraschend und klärte sich durch den Herstellungsprozess der MgO-Einkristalle auf. Der Einbau des aus dem Tiegel stammenden gelösten Magnesiums wird in der die Cu203-Schichten trennenden Strontiumschicht erwartet. Damit erlangt es keine Wirkung auf die Spin-Leiter-typischen Effekte. Durch zahlreiche Messungen mit wellenlängendispersiver Röntgenanalyse am Rasterelektronenmikroskop wurden die maßgeblichen Reaktionswege aufgeklärt und die besten Wachtumsbedingungen sowie die Fremdphasenreaktionen ermittelt. Die Ergebnisse der Raman- und IR-Spektroskopie bestätigen das Auftreten der Struktur- beziehungsweise verbindungstypischen 2-Magnonen- und 2-Magnonplus-Phonon-Quasiteilchen. Durch Polarisationsmikroskopie und optische Transmissionsuntersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass es sich bei den Proben um Einkristalle handelt. Die thermische Ausdehnung zeigt eine deutliche Anisotropie. Die Achsen in a- und b-Richtung besitzen niedrige und von der C-Richtung deutliche verschiedene lineare Ausdehnungskoeffizienten.
Hofstadter-Hubbard physics
(2020)
The Hofstadter model, besides the Haldane and Kane-Mele models, is the most common tight-binding model which hosts topologically nontrivial states of matter. In its time-reversal-symmetric formulation the model can even describe topological insulators. Experimentally, the Hofstadter model was realized with ultracold quantum gases in optical lattices which is a wellcontrolled way to engineer quantum states of tight-binding Hamiltonians. Another established control parameter in ultracold quantum gases are twoparticle, on-site interactions, also known as Hubbard interactions. This work aims at introducing the reader to the concepts of topological states of matter, a collection of corresponding tight-binding models, and the methodology to treat interacting topological states with dynamical mean-field theory.We present recent results for inhomogeneous, interacting systems, spinimbalanced magnetic systems, propose experimental detection methods, and extensions to three-dimensional topological states.
Die vorgelegte Dissertation behandelt den Einfluss homöostatischer Adaption auf die Informationsverarbeitung und Lenrprozesse in neuronalen Systemen. Der Begriff Homöostase bezeichnet die Fähigkeit eines dynamischen Systems, bestimmte interne Variablen durch Regelmechanismen in einem dynamischen Gleichgewicht zu halten. Ein klassisches Beispiel neuronaler Homöostase ist die dynamische Skalierung synaptischer Gewichte, wodurch die Aktivität bzw. Feuerrate einzelner Neuronen im zeitlichen Mittel konstant bleibt. Bei den von uns betrachteten Modellen handelt es sich um eine duale Form der neuronalen Homöostase. Das bedeutet, dass für jedes Neuron zwei interne Parameter an eine intrinsische Variable wie die bereits erwähnte mittlere Aktivität oder das Membranpotential gekoppelt werden. Eine Besonderheit dieser dualen Adaption ist die Tatsache, dass dadurch nicht nur das zeitliche Mittel einer dynamischen Variable, sondern auch die zeitliche Varianz, also die stärke der Fluktuation um den Mittelwert, kontrolliert werden kann. In dieser Arbeit werden zwei neuronale Systeme betrachtet, in der dieser Aspekt zum Tragen kommt.
Das erste behandelte System ist ein sogennantes Echo State Netzwerk, welches unter die Kategorie der rekurrenten Netzwerke fällt. Rekurrente neuronale Netzwerke haben im Allgemeinen die Eigenschaft, dass eine Population von Neuronen synaptische Verbindungen besitzt, die auf die Population selbst projizieren, also rückkoppeln. Rekurrente Netzwerke können somit als autonome (falls keinerlei zusätzliche externe synaptische Verbindungen existieren) oder nicht-autonome dynamische Systeme betrachtet werden, die durch die genannte Rückkopplung komplexe dynamische Eigenschaften besitzen. Abhängig von der Struktur der rekurrenten synaptischen Verbindungen kann beispielsweise Information aus externem Input über einen längeren Zeitraum gespeichert werden. Ebenso können dynamische Fixpunkte oder auch periodische bzw. chaotische Aktivitätsmuster entstehen. Diese dynamische Vielseitigkeit findet sich auch in den im Gehirn omnipräsenten rekurrenten Netzwerken und dient hier z.B. der Verarbeitung sensorischer Information oder der Ausführung von motorischen Bewegungsmustern. Das von uns betrachtete Echo State Netzwerk zeichnet sich dadurch aus, dass rekurrente synaptische Verbindungen zufällig generiert werden und keiner synaptischen Plastizität unterliegen. Verändert werden im Zuge eines Lernprozesses nur Verbindungen, die von diesem sogenannten dynamischen Reservoir auf Output-Neuronen projizieren. Trotz der Tatsache, dass dies den Lernvorgang stark vereinfacht, ist die Fähigkeit des Reservoirs zur Verarbeitung zeitabhängiger Inputs stark von der statistischen Verteilung abhängig, die für die Generierung der rekurrenten Verbindungen verwendet wird. Insbesondere die Varianz bzw. die Skalierung der Gewichte ist hierbei von großer Bedeutung. Ein Maß für diese Skalierung ist der Spektralradius der rekurrenten Gewichtsmatrix.
In vorangegangenen theoretischen Arbeiten wurde gezeigt, dass für das betrachtete System ein Spektralradius nahe unterhalb des kritischen Wertes von 1 zu einer guten Performance führt. Oberhalb dieses Wertes kommt es im autonomen Fall zu chaotischem dynamischen Verhalten, welches sich negativ auf die Informationsverarbeitung auswirkt. Der von uns eingeführte und als Flow Control bezeichnete duale Adaptionsmechanismus zielt nun darauf ab, über eine Skalierung der synaptischen Gewichte den Spektralradius auf den gewünschten Zielwert zu regulieren. Essentiell ist hierbei, dass die verwendete Adaptionsdynamik im Sinne der biologischen Plausibilität nur auf lokale Größen zurückgreift. Dies geschieht im Falle von Flow Control über eine Regulation der im Membranpotential der Zelle auftretenden Fluktuationen. Bei der Evaluierung der Effektivität von Flow Control zeigte sich, dass der Spektralradius sehr präzise kontrolliert werden kann, falls die Aktivitäten der Neuronen in der rekurrenten Population nur schwach korreliert sind. Korrelationen können beispielsweise durch einen zwischen den Neuronen stark synchronisierten externen Input induziert werden, der sich dementsprechend negativ auf die Präzision des Adaptionsmechanismus auswirkt.
Beim Testen des Netzwerks in einem Lernszenario wirkte sich dieser Effekt aber nicht negativ auf die Performance aus: Die optimale Performance wurde unabhängig von der stärke des korrelierten Inputs für einen Spektralradius erreicht, der leicht unter dem kritischen Wert von 1 lag. Dies führt uns zu der Schlussfolgerung, dass Flow Control unabhängig von der Stärke der externen Stimulation in der Lage ist, rekurrente Netze in einen für die Informationsverarbeitung optimalen Arbeitsbereich einzuregeln.
Bei dem zweiten betrachteten Modell handelt es sich um ein Neuronenmodell mit zwei Kompartimenten, welche der spezifischen Anatomie von Pyramidenneuronen im Kortex nachempfunden ist. Während ein basales Kompartiment synaptischen Input zusammenfasst, der in Dendriten nahe des Zellkerns auftritt, repräsentiert das zweite apikale Kompartiment die im Kortex anzutreffende komplexe dendritische Baumstruktur. In früheren Experimenten konnte gezeigt werden, dass eine zeitlich korrelierte Stimulation sowohl im basalen als auch apikalen Kompartiment eine deutlich höhere neuronale Aktivität hervorrufen kann als durch Stimulation nur einer der beiden Kompartimente möglich ist. In unserem Modell können wir zeigen, dass dieser Effekt der Koinzidenz-Detektion es erlaubt, den Input im apikalen Kompartiment als Lernsignal für synaptische Plastizität im basalen Kompartiment zu nutzen. Duale Homöostase kommt auch hier zum Tragen, da diese in beiden Kompartimenten sicherstellt, dass sich der synaptische Input hinsichtlich des zeitlichen Mittels und der Varianz in einem für den Lernprozess benötigten Bereich befindet. Anhand eines Lernszenarios, das aus einer linearen binären Klassifikation besteht, können wir zeigen, dass sich das beschriebene Framework für biologisch plausibles überwachtes Lernen eignet.
Die beiden betrachteten Modelle zeigen beispielhaft die Relevanz dualer Homöostase im Hinblick auf zwei Aspekte. Das ist zum einen die Regulation rekurrenter neuronaler Netze in einen dynamischen Zustand, der für Informationsverarbeitung optimal ist. Der Effekt der Adaption zeigt sich hier also im Verhalten des Netzwerks als Ganzes. Zum anderen kann duale Homöostase, wie im zweiten Modell gezeigt, auch für Plastizitäts- und Lernprozesse auf der Ebene einzelner Neuronen von Bedeutung sein. Während neuronale Homöostase im klassischen Sinn darauf beschränkt ist, Teile des Systems möglichst präzise auf einen gewünschten Mittelwert zu regulieren, konnten wir Anhand der diskutierten Modelle also darlegen, dass eine Kontrolle des Ausmaßes von Fluktuationen ebenfalls Einfluss auf die Funktionalität neuronaler Systeme haben kann.
Terahertz (THz) physics are an emerging field of research dealing with electromagnetic radiation in the far-infrared to microwave region. The development of innovative technologies for the generation and detection of THz radiation has only in the recent past led to a tremendous rise of both fundamental research as well as investigation of possible fields of application for THz radiation. The most prominent reason has long been the scarce accessibility of the THz region of the electromagnetic spectrum - commonly loosely located between 0.1 and 30 THz - to broad research, and it was mostly limited to astronomy and high energy physics facilities. Over the recent years, numerous novel concepts on both the source and detector side have been proposed and successfully implemented to overcome this so-called THz gap. New technology has become available and paved the way for wide-spread experimental laboratory work and accompanying theoretical investigations. First application studies have emerged and in some cases even commercial development of the field of THz physics is on the rise. Despite these enormous progresses, a continuing demand for more efficient THz detectors still impels current technological research. Relatively low source powers are often a major limiting factor and the request for new detection concepts, their understanding and implementation, as well as the optimization on a device basis has been and still remains in place. One of these concepts is the use of field-effect transistors (FETs) high above their conventional cut-off frequencies as electronic THz detectors. The concept has been proposed in a number of theoretical publications by M. Dyakonov and M. Shur in the early 1990's, who pioneered to show that under certain boundary conditions, non-linear collective excitations of the charge carrier system of a two-dimensional electron gas (2DEG) by incident THz radiation can exhibit rectifying behaviour - a detection principle, which has become known as plasma wave or plasmonic mixing. Up until this day, the concept has been successfully implemented in many device realizations - most advanced in established silicon CMOS technology - and stands on the edge of becoming commercially available on a large scale. The main direction of the work presented in this thesis was the modeling and experimental characterization of antenna-coupled FETs for THz detection - termed TeraFETs in this and the author's previous works - which have been implemented in different material systems. The materials presented in this thesis are AlGaN/GaN HEMTs and graphene FETs. In a number of scientific collaborations, TeraFETs were designed based on a hydrodynamic transport model, fabricated in the respective materials, and characterized mainly in the lower THz frequency region from 0.2 to 1.2 THz. The theoretical description of the plasma wave mixing mechanism in TeraFETs, as initiated by Dyakonov and Shur, was based on a fluid-dynamic transport model for charge carriers in the transistor channel. The THz radiation induces propagating charge density oscillations (plasma waves) in the 2DEG, which via non-linear self-mixing cause rectification of the incident THz signals. Over the course of this work, it became evident in the on-going detector characterization experiments that this original theoretical model of the detection process widely applied in the respective literature does not suffice to describe some of the experimental findings in TeraFET detection signals. Thorough measurements showed signal contributions, which are identified in this work to be of thermoelectric origin arising from an inherent asymmetric local heating of charge carriers in the devices. Depending on the material, these contributions constituted a mere side effect to plasmonic detection (AlGaN/GaN) or even reached a comparable magnitude (graphene FETs). To include these effects in the detector model, the original reduced fluid-dynamic description was extended to a hydrodynamic transport model. The model yields at the current stage a reasonable qualitative agreement to the measured THz detection signals. This thesis presents the formulation of a hydrodynamic charge carrier transport model and its specific implementation in a circuit simulation tool. A second modeling aspect is that the transport equations cover only the intrinsic plasmonic detection process in the active gated part of the TeraFET's transistor channel. In order to model and simulate the behavior of real devices, extrinsic detector parts such as ungated channel regions, parasitic resistances and capacitances, integrated antenna impedance, and others must be considered. The implemented detector model allows to simulate THz detection in real devices with the above influences included. Besides presentation of the detector model, experimental THz characterization of the fabricated TeraFETs is presented in this work. Careful device design yielded record detection performance for detectors in both investigated materials. The respective results are shown and the experimental observations of the thermoelectric effect in TeraFETs are compared to modeling results. It is the goal of this work to provide a framework for further theoretical and experimental studies of the plasmonic and thermoelectric effect in TeraFETs, which could eventually lead to a new type of THz detectors particularly exploiting the thermoelectric effect to enhance the sensitivity of today's plasmonic TeraFETs.
Ultrarelativistische Schwerionenstöße werden seit etwa 15 Jahren untersucht, um Kernmaterie unter extremen Bedingungen zu erforschen; in Kollisionen schwerer Atomkerne kann bei hohen Einschußenergien Kernmaterie stark komprimiert und aufgeheizt werden. Die Bedeutung dieser Experimente wird durch Berechnungen der Quanten-Chromo-Dynamik auf raumzeitlichen Gittern hervorgehoben, die bei ausreichend hoher Energiedichte eine Phase voraussagen, in der die Quarks nicht mehr in Hadronen gebunden sind, sondern zusammen mit den Gluonen ein partonisches System ausbilden. Ist das System hinreichend groß und equilibriert, wird es als Quark-Gluon-Plasma bezeichnet. Die als Signatur für das Überschreiten der Phasengrenze vorgeschlagene erhöhte Produktion Seltsamkeit tragender Teilchen wurde in der Gegenüberstellung von elementaren Proton+Proton-Interaktionen und Kern+Kern-Stößen experimentell über einen weiten Energiebereich bestätigt. Eine solche Überhöhung kann aber auch durch rein hadronische Phänomene hervorgerufen werden. So tritt beispielsweise in statistischen Modellen bereits in einem Hadrongas eine Seltsamkeitserhöhung aufgrund des Übergangs von einem kanonischen zu einem großkanonischen Ensemble mit steigender Systemgröße in Kern+Kern-Stößen auf. Das motivierte die Messung der Systemgrößenabhängigkeit der Seltsamkeitsproduktion bei einer Einschußenergie, bei der in den Stößen der größten Kerne die partonische Phase erreicht werden sollte, während Proton-Proton-Interaktionen überlicherweise als hadronische Systeme betrachtet werden. In Kollisionen von Kohlenstoff- und Siliziumkernen bei 158 GeV pro Nukleon, deren Untersuchung Gegenstand dieser Arbeit ist, kann möglicherweise die Umgebung der Phasengrenze abgetastet werden. Besondere Aufmerksamkeit gilt der Frage nach dem Mechanismus der Seltsamkeitsproduktion in diesen Reaktionen. Das Experiment wurde am SPS-Beschleuniger am CERN in Genf durchgeführt, erstmals wurden dort leichte Projektilkerne durch den Aufbruch des primären Bleistrahls an einem Produktionstarget erzeugt. Das Herzstück des NA49-Spektrometers, mit dem die Daten aufgezeichnet wurden, sind die vier großvolumigen Spurendriftkammern, die die große Akzeptanz ermöglichen. Die Lambda- und Antilambda-Hyperonen aus C+C und Si+Si Kollisionen werden anhand ihrer Zerfallstopologie rekonstruiert und ihre Impulsverteilungen über einen weiten Bereich gemessen; mit zusätzlichen Annahmen werden schließlich die totalen Multiplizitäten extrapoliert. Die Produktion der Hyperonen pro Pion ist im Vergleich zu p+p-Daten bereits in C+C-Reaktionen deutlich erhöht, in Si+Si--Kollisionen ist annähernd der Wert aus Pb+Pb-Stößen erreicht. Mehrere Ursachen für diese Beobachtung werden diskutiert und mögliche Interpretationen vorgeschlagen. Der Grad an chemischer Equilibration und die Lage des Ausfrierpunktes im Phasendiagramm und im Vergleich zu anderen Stoßsystemen wird besprochen. Die Rapiditätsspektren der Lambda-Hyperonen entsprechen zunehmendem Stopping mit steigender Anzahl von Stößen pro Nukleon. Dadurch wird die Energie pro Nukleon im Feuerball erhöht, was zunehmende kinetische Energie der Teilchen und eine ansteigende Teilchenproduktion erzeugt. Die Verbreiterung der Transversalimpulsspektren mit der Systemgröße fügt sich in der Tat in das Bild anwachsenden radialen Flußes ein.
In dieser Arbeit wurden Verfahren zur Identifikation hirnelektrischer Aktivität mit Zellularen Nichtlinearen Netzwerken (CNN), im Besonderen Reaktions-Diffusions-Netzwerken, entwickelt und untersucht. Mit Hilfe der eingeführten Methoden wurden Langzeitaufzeichnungen hirnelektrischer Aktivität bei Epilepsie analysiert und mittels eines automatisierten Verfahrens ermittelt, inwieweit sich mögliche Voranfallszustände vom anfallsfreien Zustand im statistischen Sinne trennen lassen.
Zunächst wurde ein Überblick über CNN gegeben und deren Beschreibung durch Systeme gekoppelter Differentialgleichungen dargestellt. Weiterhin wurden die Möglichkeiten der Informationsverarbeitung mit CNN durch Ausnutzung von Gleichgewichtszuständen oder der vollständigen raum-zeitlichen Dynamik der Netzwerke diskutiert. Zusätzlich wurde die Klasse der Reaktions-Diffusions-Netzwerke (RD-CNN) eingeführt. Für die Repräsentation der hierbei benötigten weitgehend allgemeinen nichtlinearen Zellkopplungsvorschriften wurden polynomiale Gewichtsfunktionen vorgeschlagen. Mit einer Darstellung der Theorie der Lokalen Aktivität wurden notwendige Bedingungen für emergentes Verhalten in RD-CNN angegeben. Die statistische Bewertung von Vorhersagemodellen wurde aus theoretischer Sicht beleuchtet. Mit der Receiver Operating Characteristic (ROC) wurde eine Analysemethode zur Beurteilung der Vorhersagekraft des zeitlichen Verlaufs von Kenngrößen bezüglich bevorstehender epileptischer Anfälle vorgestellt.
Als nächstes wurden Überlegungen zur numerischen Simulation von CNN und deren flexible und erweiterbare programmtechnische Umsetzung entwickelt. Die daraus resultierende und im Rahmen dieser Arbeit entstandene objektorientierte Simulationsumgebung FORCE++ wurde konzeptionell und im Hinblick auf die Softwarearchitektur vorgestellt.
Die Verfahren zur numerischen Simulation wurden auf die Problemstellung der Systemidentifikation mit CNN angewandt. Dazu wurden Netzwerke derart bestimmt, dass deren Zellausgangswerte entsprechende Signalwerte des beobachteten, zu identifizierenden Systems approximieren.
Da die Parameter der zu bestimmenden CNN im vorliegenden Fall der Untersuchung hirnelektrischer Aktivität nicht bekannt sind und nicht direkt abgeleitet werden können, wurden überwachte Lernverfahren zur Bestimmung der Netzwerke eingesetzt. Hierbei wurden Lernverfahren verschiedener Klassen für die Identifikation mit CNN mit polynomialen Gewichtsfunktionen untersucht. Die Leistungsfähigkeit des vorgestellten Identifikationsverfahrens wurde anhand bekannter Systeme einer genauen Betrachtung unterzogen. Dabei wurde festgestellt, dass die betrachteten Systeme mit hoher Genauigkeit durch CNN repräsentiert werden konnten. Exemplarisch wurde das Parametergebiet lokaler Aktivität für ein RD-CNN berechnet und durch numerische Simulationen die Ausbildung von Mustern innerhalb des Netzwerkes nachgewiesen.
Nach einem einleitenden Überblick über die medizinischen Hintergründe von Epilepsie und der Erfassung hirnelektrischer Aktivität wurde eine vergleichende Übersicht über den Stand veröffentlichter Studien zur Vorhersage epileptischer Anfälle gegeben. Für die Anwendung des hier vorgestellten Identifikationsverfahrens zur Analyse hirnelektrischer Aktivität wurde zunächst die Genauigkeit der Approximation kurzer, als quasi-stationär betrachteter Abschnitte, von EEG-Signalen untersucht. Durch gezielte Erhöhung der Komplexität herangezogener Netzwerke konnte hier die Genauigkeit der Repräsentation von EEG-Signalverläufen deutlich verbessert werden. Dabei wurde zudem die Verallgemeinerungsfähigkeit der ermittelten Netzwerke untersucht, wobei festgestellt wurde, dass auch solche Signalwerte mit guter Genauigkeit approximiert werden, die nicht im Identifikationsverfahren durch die überwachte Parameteroptimierung berücksichtigt waren. Um speziell den Einfluss der Information aus der Korrelation benachbarter Elektrodensignale zu untersuchen, wurde ein Verfahren zur multivariaten Prädiktion mit Discrete Time CNN (DT-CNN) entwickelt.
Hierbei werden durch ein CNN Signalwerte der betrachteten Elektrode aus vergangenen, korrelierten Signalwerten von Nachbarelektroden geschätzt. Für diese Aufgabenstellung konnte eine Methode zur Bestimmung der Netzwerkparameter im optimalen Sinn, alleine aus den statistischen Eigenschaften der Elektrodensignale angegeben werden. Dadurch gelang eine erhebliche Reduzierung der Rechenkomplexität, die eine umfangreiche Untersuchung intrakranieller Langzeitableitungen ermöglichte.
Zur Analyse von Langzeitaufzeichnungen mit dem RD-CNN Identifikationsverfahren, wurden die numerischen Berechnungen zur Simulation von CNN mit FORCE++ auf einem durchsatz-orientierten Hochleistungs-Rechnernetzwerk durchgeführt. Mit den so gewonnen Ergebnissen konnten vergleichende Analysen vorgenommen werden. Zudem wurden Untersuchungen zum Vorliegen lokaler Aktivität in den ermittelten RD-CNN durchgeführt.
Die bei den beschriebenen Verfahren extrahierten Kenngrößen hirnelektrischer Aktivität wurden durch ein automatisiertes Verfahren auf ihre Vorhersagekraft für epileptische Anfälle bewertet. Dabei wurde untersucht, inwieweit der anfallsfreie Zustand und ein angenommener Voranfallszustand durch die jeweils betrachtete Kenngröße im statistischen Sinn diskriminiert werden kann. Durch parallele Analysen mit Anfallszeitsurrogaten wurden hierzu ergänzende Signifikanztests durchgeführt.
Nach Auswertung von mehrtägigen Hirnstromsignalen verschiedener Patienten konnte festgestellt werden, dass mit den in dieser Arbeit entwickelten Verfahren Kenngrößen hirnelektrischer Aktivität bestimmt werden konnten, welche offenbar die Identifikation potentieller Voranfallszustände ermöglichen.
Auch wenn für eine breite medizinische Anwendung die Spezifität und Sensitivität noch weiter verbessert werden muss, so können doch die erzielten Ergebnisse einen wesentlichen Schritt hin zu einer implantierbaren, CNN-basierten Plattform zur Erkennung und Verhinderung epileptischer Anfälle darstellen. Die Berechnungen für das Identifikationsverfahren mit RD-CNN könnten dabei durch zukünftige, spezialisierte schaltungstechnische Realisierungen für mehrschichtige CNN mit polynomialen Gewichtsfunktionen eine erhebliche Beschleunigung erfahren.
The central goal of this investigation is to describe the dynamic reaction of a multicellular tumour spheroid to treatment with radiotherapy. A focus will be on the triggered dynamic cell cycle reaction in the spheroid and how it can be employed within fractionated radiation schedules.
An agent-based model for cancer cells is employed which features inherent cell cycle progression and reactions to environmental conditions. Cells are represented spatially by a weighted, dynamic and kinetic Voronoi/Delaunay model which also provides for the identification of cells in contact within the multicellular aggregate. Force-based interaction between cells will lead to rearrangement in response to proliferation and can induce cell quiescence via a mechanism of pressure-induced contact inhibition. The evolution of glucose and oxygen concentration inside the tumour spheroid is tracked in a diffusion solver in correspondence to in vitro or in vivo boundary conditions and a corresponding local nutrient uptake by single cells.
Radiation effects are implemented based on the measured single cell survival in the linear-quadratic model. The survival probability will be affected by the radiosensitivity of the current cycle phase and the local oxygen concentration. Quiescent cells will reduce the effective dose they receive as a consequence of their increased radioresistance. The radiation model includes a fast response to fatal DNA damage through cell apoptosis and a slow response via cell loss due to misrepair during the radiation-induced G2-block.
A simplified model for drug delivery in chemotherapy is implemented.
The model can describe the growth dynamics of spheroids in accordance to experimental data, including total number of cells, histological structure and cell cycle distribution. Investigations of possible mechanisms for growth saturation reveal a critical dependence of tumour growth on the shedding rate of cells from the surface.
In response to a dose of irradiation, a synchronisation of the cell cycle progression within the tumour is observed. This will lead to cyclic changes in the overall radiation sensitivity of the tumour which are quantified using an enhancement measure in comparison to the expected radiosensitivity of he tumour. A transient strong peak in radiosensitivity enhancement is observed after administration of irradiation. Mechanisms which influence the peak timing and development are systematically investigated, revealing quiescence and reactivation of cells to be a central mechanism for the enhancement.
Direct redistribution of cells due to different survival in cell cycle phases, re-activation of quiescent cells in response to radiation-induced cell death and blocking of DNA damaged cells at the G2/M checkpoint are identified as the main mechanisms which contribute to a synchronisation and determine the radiosensitivity increase. A typical time scale for the development of radiosensitivity and the relaxation of tumours to a steady-state after irradiation is identified, which is related to the typical total cell cycle time.
A range of clinical radiotherapy schedules is tested for their performance within the simulation and a systematic comparison with alternative delivery schedules is performed, in order to identify schedules which can most effectively employ the described transient enhancement effects. In response to high-dose schedules, a dissolution of the tumour spheroid into smaller aggregates can be observed which is a result of the loss of integrity in the spheroid that is associated with high cell death via apoptosis. Fractionated irradiation of spheroids with constant dose per time unit but different inter-fraction times clearly reveals optimal time-intervals for radiation, which are directly related to the enhancement response of the tumour.
In order to test the use of triggered enhancement effects in tumours, combinations of trigger- and effector doses are examined for their performance in specific treatment regimens. Furthermore, the automatic identification and triggering in response to high enhancement periods in the tumour is analysed.
While triggered schedules and automatic schedules both yield a higher treatment efficiency in comparison to conventional schedules, treatment optimisation is a revealed to be a global problem, which cannot be sufficiently solved using local optimisation only.
The spatio-temporal dynamics of hypoxia in the tumour are studied in response to irradiation. Microscopic, diffusion-induced reoxygenation dynamics are demonstrated to be on a typical time-scale which is in the order of fractionation intervals. Neoadjuvant chemotherapy with hydroxyurea can yield a drastic improvement of radiosensitivity via cell cycle synchronisation and specific toxicity against radioresistant S-phase cells.
The model makes clear predictions of radiation schedules which are especially effective as a result of triggered cell cycle-based radiosensitivity enhancement. Division of radiation into trigger and effector doses is highly effective and especially suited to be combined with adjuvant chemotherapy in order to limit regrowth of cells.
Diese Dissertation stellt die systematische Einbeziehung von Eichkorrekturen in die Theorie der thermischen Leptogenese vor, welche eine Erklärung für die Frage nach dem Ursprung der Materie in unserem Universum bereitstellt.
Geht man vom weithin anerkannten Urknallmodell aus, so müsste hierbei zu gleichen Teilen Materie sowie Antimaterie entstanden sein. Aufgrund von Annihilationsprozessen sollte demnach die gesamte Materie zerstrahlt sein und ein leeres Universum zurückbleiben. Da dies aber nicht der Fall ist, stellt sich die Frage, wie das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie entstehen konnte. Der Wert der Asymmetrie lässt sich mit Hilfe von Experimenten sehr genau bestimmen. Für eine systematische theoretische Beschreibung dieser Problematik stellte A. Sacharow drei Bedingungen auf: 1. die Verletzung der Baryonenzahl, 2. die Verletzung der Invarianz von Ladungskonjugation C sowie der Zusammensetzung von Ladungskonjugation und Parität CP sowie 3. eine Abweichung vom thermischen Gleichgewicht.
Da das Urknallmodell und das Standardmodell der Teilchenphysik nicht in der Lage sind, diese Asymmetrie zu beschreiben, beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit der Theorie der thermischen Leptogenese, welche statt von einer ursprünglichen Baryonenasymmetrie von einer Leptonenasymmetrie ausgeht. Zu einem späteren Zeitpunkt wird diese dann mittels Sphaleron-Prozesse, welche die Baryonenzahl verletzen, in eine Baryonenasymmetrie übertragen. Hierzu werden neue Teilchen zum Standardmodell hinzugefügt: schwere Majorana-Neutrinos. Diese zerfallen im thermischen Nichtgleichgewicht CP-verletzend in die bekannten Standardmodell-Leptonen und Higgs-Teilchen.
In dieser Arbeit wird eine hierarchische Anordnung der drei schweren Neutrinomassen betrachtet. Dies hat zur Folge, dass zwei der drei Majorana-Neutrinos ausintegriert werden können und eine effektive Theorie aufgestellt werden kann. Dieses Modell wird auch vanilla leptogenesis genannt und im Folgenden verwendet.
Die Dissertation ist wie folgt gegliedert. Die einleitenden Betrachtungen sind Gegenstand der Kapitel 1 und 2. Dort werden weiterhin andere Modelle zur Lösung des Problems der Baryonenasymmetrie kurz vorgestellt. Die thermische Leptogenese wird eingeführt und der See-saw-Mechanismus sowie die CP-Asymmetrie genauer beschrieben. Am Ende des Kapitels wird der klassische Ansatz für Leptogenese über Boltzmann Gleichungen präsentiert.
In Kapitel 3 werden die Grundlagen für Quantenfeldtheorien im Nichtgleichgewicht eingeführt. Die wichtigsten Definitionen im Falle des thermischen Gleichgewichts werden gegeben, anschließend findet sich die Verallgemeinerung auf Nichtgleichgewichtszustände. Die Bewegungsgleichungen, die sogenannten Kadanoff-Baym-Gleichungen, werden im Folgenden sowohl für skalare Teilchen als auch für Fermionen gelöst.
Kapitel 4 stellt die Notwendigkeit der Einbeziehung von Eichkorrekturen im Kontext der thermischen Leptogenese vor. Durch die Definition einer Leptonenzahlmatrix lässt sich die Asymmetrie durch die Kadanoff-Baym Gleichung für Leptonen umschreiben. Da der Vergleich von Boltzmann und Kadanoff-Baym Gleichungen im letzten Teil dieses Kapitels Unterschiede im Zeitverhalten zeigt, werden im Kadanoff-Baym Ansatz thermische Standardmodell-Breiten des Higgsfeldes und der Leptonen per Hand eingeführt. Mit dieser naiven Erweiterung erhält man ein gleiches Verhalten für die Leptonenzahlmatrix, lokal in der Zeit wie die Lösung der Boltzmann Gleichung. Eine systematische Einführung von Standardmodellkorrekturen für thermische Leptogenese ist daher unumgänglich, weshalb im Rahmen der vorliegenden Dissertation von Grund auf Eichkorrekturen der Diagramme, die zur Asymmetrie führen, berücksichtigt werden.
Die vier für diese Arbeit wichtigen Skalenbereich bedingen zwei Resummationsschemata, Hard Thermal Loop (HTL) und Collinear Thermal Loop (CTL), welche in Kapitel 5 vorgestellt werden. Dies führt schließlich auf zwei Differenzialgleichungen für die Berechnung der thermischen Produktionsrate des Majorana-Neutrinos, welche in Kapitel 6 numerisch weiter ausgewertet werden.
In Kapitel 7 erfolgt zunächst eine naive Berechnung aller eichkorrigierter 3-Schleifen-Diagramme, die zu den beiden die Asymmetrie verursachenden Diagrammen gehören. Da eine einfache Berechnung der 3-Schleifen-Diagramme nicht ausreicht, wird an dieser Stelle ein neues, zylindrisches Diagramm eingeführt, welches alle wichtigen Beiträge, insbesondere die HTL- und CTL-resummierten, enthält. Am Ende des Kapitels findet sich der erste geschlossene Ausdruck für die eichkorrigierte Leptonenzahlmatrix in führender Ordnung in allen Kopplungen.
Abschließend gibt es eine kurze Zusammenfassung und einen Ausblick in Kapitel 8. In dieser Dissertation findet sich zum ersten Mal ein systematischer Zugang zur Berücksichtigung aller Eichwechselwirkungen in der Theorie der thermischen Leptogenese. Ein geschlossener Ausdruck für die eichkorrigierte Leptonenasymmetrie konnte vorgestellt werden.
In the last two decades, new unpredicted charmonium-like states with extraordinary characteristics have been observed experimentally. These states also known as the XYZ states, e.g., the Y(4260) or the X(3872), are mostly interpreted as QCD allowed exotic hadrons. One of the leading hadron physics experiments in the world, the Beijing Electron Spectrometer III (BESIII) at the Beijing Electron-Positron Collider II (BEPCII) is aiming towards revealing the internal structure of these states. It has brought numerous breakthrough discoveries including the discovery of the charged Zc(3900). In order to understand the nature of the Y(4260) state and its decay patterns, an inclusive analysis is performed for different recoil systems (π+π−,K+K− and K±π∓) using the BESIII data samples for center of mass energies above 4 GeV collected between 2013 and 2019. The aim of this analysis is twofold: on one hand, we search for new unobserved charmonium-like decay channels using the missing mass technique and on the other hand, it provides an accurate inclusive cross section measurement for e+e−→X π+π−, with the X being the J/ψ, hc and ψ(2S), respectively. Two resonant structures, the Y(4220) and the Y(4390), are observed in the inclusive energy dependent Born cross section of e+e−→hc π+π−, which is consistent with the BESIII exclusive measurements. Moreover, the energy dependent cross section of e+e−→J/ψ π+π− is investigated, in which two resonances have consistently been observed with the previous BESIII exclusive studies, namely, the Y(4220) and the Y(4320). In the (K±π±) recoil system, possible Y(4260) open charm decay channels are investigated. Two enhancements are observed in the inclusive energy dependent cross section of e+e−→DD above 4.13GeV, which could possibly be the ψ(4160)and the ψ(4415).
In the last twenty years, a variety of unexpected resonances had been observed within the charmonium mass region. Although the existence of unconventional states has been predicted by the quantum chromodynamics (QCD), a quantum field theory describing the strong force, a clear evidence was missing. The Y(4260) is such an unexpected and supernummerary state, first observed at BaBar in 2005, and aroused great interest, because it couples much stronger to hidden charm decays (charm-anticharm states like J/Psi or h_c) instead of open charm decays (D meson pairs). This is unusual for states with masses above the D anti-D threshold. Furthermore, it decays into a charged exotic state Y(4260)->Z_c(3900)^+- pi^-+. The charge of the Z_c(3900)^+- is an indication that it comprises of two more quarks than the charm-anticharm pair, and could therefore be assumed to be a four-quark state. Due to these still not understood properties of these QCD-allowed states, they are referred to as exotic XYZ states to emphasize their particularity.
In 2017, the collaboration of the Beijing Spectrometer III (BESIII) investigated the production reaction of the Y(4260) resonance based on a high-luminosity data set. This significantly improved precision of the measurement of the cross-section sigma(e+e- -> J/Psi pi^+ pi^-) permitted a resolution into two resonances, the Y(4230) and the Y(4360). The Z_c(3900)^+- had been discovered by the BESIII collaboration in 2013, thus this experiment at the Beijing Electron-Positron Collider II (BEPCII) is a top-performing facililty to study exotic charmonium-like states.
In this work, an inclusive reconstruction of the strange hyperon Lambda in the charmonium mass region is performed to study possible decays of Y states in order to provide further insight into their nature. Finding more states or new decay channels may provide crucial hints to understand the strong interaction beyond nonperturbative approaches.
Three resonances are observed in the energy dependent cross-section: the first with a mass of (4222.01 +- 5.68) MeV and a width of (154.26 +- 28.16) MeV, the second with a mass of (4358.88 +- 4.97) MeV and a width of (49.58 +- 13.54) MeV and the third with a mass of (4416.41 +- 2.37) MeV and a width of (23.88 +- 7.18) MeV. These resonances, with a statistical significance Z > 5sigma, can be interpreted as the states Y(4230), Y(4360) and psi(4415).
Additionally, a proton momentum-dependent analysis strategy has been used in terms of the inclusiveness of the reconstruction and to address the momentum discrepancies between generic MC and measured data.
Induced charge computation
(2009)
One of the main aspects of statistical mechanics is that the properties of a thermodynamics state point do not depend on the choice of the statistical ensemble. It breaks down for small systems e.g. single molecules. Hence, the choice of the statistical ensemble is crucial for the interpretation of single molecule experiments, where the outcome of measurements depends on which variables or control parameters, are held fixed and which ones are allowed to fluctuate. Following this principle, this thesis investigates the thermodynamics of a single polymer pulling experiments within two different statistical ensembles. The scaling of the conjugate chain ensembles, the fixed end-to-end vector (Helmholtz) and the fixed applied force (Gibbs), are studied in depth. This thesis further investigates the ensemble equivalence for different force regimes and polymer-chain contour lengths. Using coarse-grained molecular dynamic simulations, i.e. Langevin dynamics, the simulations were found to complement the theoretical predictions for the scaling of ensemble difference of Gaussian chains in different force-regimes, giving special attention to the zero force regime. After constructing Helmholtz and Gibbs conjugate ensembles for a Gaussian chain, two different data sets of thermodynamic states on the force-extension plane, i.e. force-extension curves, were generated. The ensemble difference is computed for different polymer-chain lengths by using force-extension curves. The scaling of the ensemble difference versus relative polymer-chain length under different force regimes has been derived from the simulation data and compared to theoretical predictions. The results demonstrate that the Gaussian chain in the zero force limit generates nonequivalent ensembles, regardless of its equilibrium bond length and polymer-chain contour length. Moreover, if polymers are charged in confinement, coarse-graining is problematic, owing to dielectric interfaces. Hence, the effect of dielectric interfaces must be taken into account when describing physical systems such as ionic channels or biopolymers inside nanopores. It is shown that the effect of dielectrics is crucial for the dynamics of a biopolymer or an ion inside a nanopore. In the simulations, the feasibility of an efficient and accurate computation of electrostatic interactions in the presence of an arbitrarily shaped dielectric domain is challenging. Several solutions for this problem have been previously proposed in the literature such as a density functional approach, or transforming problem at hand into an algebraic problem ( Induced Charge Computation (ICC) ) and boundary element methods. Even though the essential concept is the same, which is to replace the dielectric interface with a polarization charge density, these approaches have been analyzed and the ICC algorithm has been implemented. A new superior boundary element method has been devised utilizing the force computation via the Particle-Particle Particle-Mesh (P3M) method for periodic geometries (ICCP3M). This method has been compared to the ICC algorithm, the algebraic solutions, and to density functional approaches. Extensive numerical tests against analytically tractable geometries have confirmed the correctness and applicability of developed and implemented algorithms, demonstrating that the ICCP3M is the fastest and the most versatile algorithm. Further optimization issues are also discussed in obtaining accurate induced charge densities. The potential of mean force (PMF) of DNA modelled on a coarsed-grain level inside a nanopore is investigated with and without the inclusion of dielectric effects. Despite the simplicity of the model, the dramatic effect of dielectric inclusions is clearly seen in the observed force profile.
This thesis explores the phase diagrams of the Nambu--Jona-Lasinio (NJL) and quark-meson (QM) model in the mean-field approximation and beyond. The focus lies in the investigation of the interplay between inhomogeneous chiral condensates and two-flavor color superconductivity.
In the first part of this thesis, we study the NJL model with 2SC diquarks in the mean-field approximation and determine the dispersion relations for quasiparticle excitations for generic spatial modulations of the chiral condensate in the presence of a homogeneous 2SC-diquark condensate, provided that the dispersion relations in the absence of color superconductivity are known. We then compare two different Ansätze for the chiral order parameter, the chiral density wave (CDW) and the real-kink crystal (RKC). For both Ansätze we find for specific diquark couplings a so-called coexistence phase where both the inhomogeneous chiral condensate and the diquark condensate coexist. Increasing the diquark coupling disfavors the coexistence phase in favor of a pure diquark phase.
On the other hand, decreasing the diquark coupling favors the inhomogeneous phase over the coexistence phase.
In the second part of this thesis the functional renormalization group is employed to study the phase diagram of the quark-meson-diquark model. We observe that the region of the phase diagram found in previous studies, where the entropy density takes on unphysical negative values, vanishes when including diquark degrees of freedom. Furthermore, we perform a stability analysis of the homogeneous phase and compare the results with those of previous studies. We find that an increasing diquark coupling leads to a smaller region of instability as the 2SC phase extends to a smaller chemical potential. We also find a region where simultaneously an instability occurs and a non-vanishing diquark condensate forms, which is an indication of the existence of a coexistence phase in accordance with the results of the first part of this work.
This thesis investigates exotic phases within effective models for strongly interacting matter.
The focus lies on the chiral inhomogeneous phase (IP) that is characterized by a spontaneous breaking of translational symmetry and the moat regime, which is a precursor phenomenon exhibiting a non-trivial mesonic dispersion relation.
These phenomena are expected to occur at non-zero baryon densities, which is a parameter region that is mostly non-accessible to first-principle investigations of Quantum chromodynamics (QCD).
As an alternative approach, we consider the Gross-Neveu (GN) and Nambu-Jona-Lasinio (NJL) model within the mean-field approximation, which can be regarded as effective models for QCD.
We focus on two aspects of the moat regime and the IP in these models.
First, we investigate the influence of the employed regularization scheme in the (3+1)-dimensional NJL model, which is nonrenormalizable, i.e., the regulator cannot be removed.
We find that the moat regime is a robust feature under change of regularization scheme, while the IP is sensitive to the specific choice of scheme.
This suggests that the moat regime is a universal feature of the phase diagram of the NJL model, while the IP might only be an artifact of the employed regulator.
Second, we study the influence of the number of spatial dimensions on the emergence of the IP.
To this end, we investigate the GN model in noninteger spatial dimensions d.
We find that the IP and the moat regime are present for d < 2, while they are absent for d > 2.
This demonstrates the central role of the dimensionality of spacetime and illustrates the connection of previously obtained results in this model in integer number of spatial dimensions.
Moreover, this suggests that the occurrence of these phenomena in three spatial dimensions is solely caused by the finite regulator.
In summary, this thesis contributes to advancing our understanding of the phase structure of QCD, particularly regarding the existence and characteristics of inhomogeneous phases and the moat regime.
Even though the investigations are performed within effective models, they provide valuable insight into the aspects that are crucial for the formation of an inhomogeneous chiral condensate in fermionic theories.
Particle physics is living it’s golden age: petabytes of high precision data are being recorded at experimental facilities such as the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) and the Large Hadron Collider (LHC). Despite the significant theoretical progress achieved in the last years the complete understanding of the internal structure of protons, not computable with perturbative QCD, remains as one of the most challenging unsolved problems in the physics of elementary interactions. Besides its fundamental interest, pinning down the relevant degrees of freedom and their properties, such as their spatial distribution, has profound implications in several phenomenological aspects of high-energy collisions. Currently one of the subjects undergoing intense study is the possibility that droplets of quark-gluon plasma (QGP) are being created not only in heavy ion collisions but in more dilute systems such as high-multiplicity proton-proton interactions. This is a data driven debate as it is rooted in the similar patterns observed across the different collision systems at the LHC (p+p,p+Pb and Pb+Pb) in the flow harmonic analyses: one of the golden probes of QGP formation specially sensitive to the initial collision geometry. Another domain in which the proton structure plays a central role is the description of multi-parton interactions, the mechanism that dominates the underlying event at LHC energies, in Monte Carlo event generators. All in all a precise characterization of the hadronic structure is a crucial ingredient of the physics program of the LHC.
A full characterization of a hadron would require momentum, spatial and spin information, the so-called Wigner distribution. So far obtaining this information experimentally has not been achieved. From a theoretical point of view several complications arise such as non-universality and breaking of factorization theorems. Then, in general, the description of the hadron structure relies on phenomenological tools that require theoretical modeling constrained by experimental data. The main goal of this thesis to characterize the transverse structure of the proton. For that purpose, a wide variety of phenomenological problems that are sensitive to the proton structure have been addressed.
First, elastic scattering data on proton-proton interactions constitutes a powerful probe of the geometry of the collision. A dedicated analysis of this observable focusing on the extraction of the inelasticity density from it at √s=62.5 GeV and √s=7 TeV is presented. In the TeV regime, a unexpected phenomenon, dubbed the hollowness effect, arises: the inelasticity density, a measurement of how effective is the collision producing secondary particles, reaches its maximum at non-zero impact parameter. We provide the first dynamical explanation of the hollowness effect by constructing the elastic scattering amplitude in impact parameter representation according to the Glauber model. For that purpose we relied on a composite description of the proton. More concretely, the relevant degrees of freedom that participate in the scattering process were considered to be gluonic hot spots. The probability distribution for the transverse positions of hot spots inside the proton includes repulsive short-range correlations between all pairs of hot spots controlled by an effective repulsive core rc that effectively enlarges the mean transverse separation distance between them. The main results extracted from this work are as follows. To begin with, we found that our model was not able to describe a growing behavior of the inelasticity density at zero impact parameter in the absence of non-trivial spatial correlations. However, even in the presence of correlations, the emergence of the hollowness effect couldn’t be described when the number of hot spots was smaller than 3. Both features set solid constraints in the proton structure within our model. Finally, we pinpoint the transverse diffusion of the hot spots with increasing collision energy to be the dynamical mechanism underlying the onset of the hollowness effect.
A convenient playground to test further implications of this novel geometric description of the proton are the initial state properties of high energy proton-proton interactions in the context of QGP physics. The parametrization of the geometry of the collision is mandatory in any theoretical model attempting to describe the striking experimental results that suggest collective behavior in proton-proton interactions at the LHC, such as the non-zero value of the flow harmonic coefficients (vn). A quantitative way to characterize the initial geometry anisotropy of the overlap region is to compute the spatial eccentricity moments (εn) that fluctuate on an event by event basis. For that purpose we develop a Monte Carlo Glauber event generator. A systematic investigation of the effect of non-trivial spatial correlations in the spatial eccentricity moments from ISR to LHC energies within our Monte Carlo Glauber approach is presented. We found that both the eccentricity (ε2) and the triangularity (ε3) are affected by the inclusion of short-range repulsive correlations. In particular, the correlated scenario yielded larger values of ε2(3) in ultra-central collisions while reducing them in minimum bias.
Moreover, we explore not only the eccentricities mean but their fluctuations in terms of symmetric cumulants. The experimental measurement by the CMS Collaboration at √s=13 TeV indicates a anti-correlation of v2 and v3 around the same number of tracks in the three collision systems available at the LHC. We lay out, for the first time in the literature, a particular mechanism that permits an anti-correlation of ε2 and ε3 in the highest centrality bins as dictated by data. When modeling the proton as composed by 3 gluonic hot spots, the most common assumption in the literature, we find that the inclusion of spatial correlations is indispensable to reproduce the negative sign. Further, we perform a systematic investigation of the parameter space of the model i.e. radius of the hot spot, radius of the proton, repulsive core and number of hot spots in each proton. Our results suggest that the interplay of the different scales is decisive and confirm the discriminating power of this observable on initial state models. Together with their drastic impact on the description of the hollowness effect and the absolute values of the eccentricities, the symmetric cumulant study adds evidence to the fact that the inclusion of spatial correlations between the sub nucleonic degrees of freedom of the proton modifies the initial state properties of p+p interactions at LHC energies.
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.
In den intermetallischen Verbindungen CeCu2Si2, CeCu2Ge2, CePd2Si2 und im CeCu6-xAux-System mit x = 0, 0,1, 0,2 bestimmen die elektronischen Wechselwirkungen, an denen die 4f-Elektronen der periodisch angeordneten Cer-Ionen partizipieren, das Tieftemperaturverhalten. Die magnetische Wechselwirkung der 4f-Elektronen mit den Leitungselektronen der metallischen Matrix führt zur Ausbildung des Schwere Fermionen Zustands. Auf diese Kondo-artige Wechselwirkung geht die Destabilisierung der magnetischen 4f-Momente mit sinkender Temperatur zurück. Bei hinreichend tiefen Temperaturen wird ein Kohärenzregime erreicht, in dem Quasiteilchen mit schweren Massen entstehen, und der Schwere Fermionen Zustand zeigt Merkmale einer schweren Fermiflüssigkeit. Im Fall von CeCu2Si2 gelten die schweren Quasiteilchen als Träger der supraleitenden Phase, die unterhalb von 1 K auftritt. Mit der Kondo-artigen Wechselwirkung konkurriert die magnetische Wechselwirkung zwischen den f-Elektronen, welche das Auftreten magnetischer Ordnung begünstigt. Um die magnetischen bzw. supraleitenden Tieftemperaturinstabilitäten in CeCu2Si2, Ce-Cu2Ge2, CePd2Si2 sowie im CeCu6-xAux-System mit x = 0, 0,1, 0,2 und das daraus resultierende Tieftemperaturverhalten zu untersuchen, wurden für diese Arbeit Ultraschall- und gegebenenfalls m+SR-Experimente an Einkristallen durchgeführt: Die Messungen der relativen Änderung Dcii/cii 0 der longitudinalen elastischen Konstanten cii, i =1,2,3, durch Ultraschall wurden in Abhängigkeit von der Temperatur T, dem statischen Magnetfeld B bis zu 27 T und im Fall von CeCu2Si2 auch unter uniaxialem Druck durchgeführt. Bei den m+SR-Experimenten an den CeCu2Si2-, CeCu2Ge2- und CePd2Si2-Einkristallen wurde die Zeitentwicklung der Myonspinpolarisation (das m+SR-Signal) unter dem Einfluss der inneren magnetischen Felder, die durch die magnetischen Momente der Probe am Myonstopport erzeugt werden können, beobachtet, meistens ohne dabei ein äußeres Magnetfeld anzulegen. Das Verhalten des Signals wurde i. a. mit einer mehrkomponentigen Anpassungsfunktion beschrieben. Die Temperaturabhängigkeit der relativen Amplituden, der Relaxationsraten und gegebenenfalls der Präzessionsfrequenzen dieser Komponenten kann die Entwicklung der verschiedenen Phasen in den Proben widerspiegeln. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung der Wechselbeziehung zwischen der Supraleitung (SL) und der sie im B-T-Diagramm umgebenden A-Phase in CeCu2Si2. Auf der Basis von Symmetrieargumenten wurde nämlich aus dem Verhalten der elastischen Konstanten in Einkristallen, in denen die supraleitende Phase durch die Übergangssequenz C (paramagnetische Phase) ® A ® SL erreicht wird, ein außergewöhnliches Phänomen abgeleitet [Bruls, 1994a]: Die A-Phase, die magnetische Signaturen aufweist und immer noch von rätselhafter Natur ist, wird von der Supraleitung verdrängt. Auslöser für die Formulierung eines solchen Szenarios war die große positive Stufe in den elastischen Konstanten (7,5 x 10-4 in Dc11(T)/c11 0 von Einkristall #3S) am Übergang in die Supraleitung statt der erwarteten kleinen negativen Stufe. Im Bild eines Verdrängungseffektes wird die Hypothese aufgestellt, dass am direkten Übergang von C nach SL eine kleine negative Stufe auftritt. Die in der Gesamtbilanz positive Stufe am Übergang von A nach SL kommt dadurch zustande, dass diese kleine negative durch eine größere positive Stufe, die den simultanen Rückgang des APhasenordnungsparameters anzeigt, kompensiert wird. In den Einkristallen liegen die verschiedenen Phasen im B-T-Gebiet unterhalb von 1 K. Dies gilt auch für die B-Phase, die sich im Hochfeld an die A-Phase anschließt. A- und B-Phase zeigen eine Probenvariation, die sich in erster Linie in einer Reduktion der Anomalien und Effekte in verschiedenen Messgrößen spiegelt, aber auch in einer Streuung der Übergangstemperaturen. Die supraleitende Übergangstemperatur ist stark von der Cu-Stöchiometrie abhängig. Auf diese Probenabhängigkeiten lassen sich die unterschiedlichen Sichten auf die Wechselbeziehung zwischen der Supraleitung und der sie umgebenden Phase zurückführen. Sowohl eine Koexistenz als auch eine Konkurrenz wurde in Betracht gezogen. Aus m+SRMessungen an polykristallinem CeCu2Si2-Material wurde gefolgert, dass sich Supraleitung und magnetische Ordnung inhomogen im Probenvolumen entwickeln. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Schallexperimente an einer Serie supraleitender CeCu2Si2-Einkristalle zeigen unterschiedliche Typen, die sich in der Ausprägung der A- und der B-Phasenanomalien unterscheiden: Am reinen Supraleiter (Einkristall #4B) ohne A- und B-Phase wurde die dem Verdrängungseffekt zugrunde gelegte Hypothese verifiziert, dass für den direkten Übergang von C nach SL eine kleine negative Stufe (- 0,6 x 10-4 in Dc11(T)/c11 0) auftritt. Ein weiterer Einkristall (#1B) lässt sich unabhängig vom mehrfachen Tempern im Feldbereich unterhalb von etwa 1,5 T als quasi reiner Supraleiter identifizieren. Die A-Phase ist nicht bis ins Nullfeld ausgedehnt. Die der A- bzw. B-Phase zugeordneten Hochfeldanomalien sind aber in Abhängigkeit von der Zahl der Tempervorgänge unterschiedlich stark reduziert. Die Verbreiterung der Anomalien wurde als Ausdruck einer Verteilung von Übergangstemperaturen und kritischen Feldern diskutiert. Ihre Reduktion lässt sich in diesem Bild als Ausbildung der A- bzw. B-Phase in einem reduzierten Probenvolumen auffassen. Trotzdem zeigt die elastische Konstante beim Passieren der A-Phasengrenze als Funktion des Feldes scharfe Verdrängungsanomalien. Die Schärfe des supraleitenden Übergangs prägt sich dem Verdrängungseffekt auf. Obwohl bei der Analyse von Dc11/c11 0 eine Konkurrenz der Phasen zugelassen wurde, der eine räumliche Separation im Probenvolumen zugrunde liegt, musste aus der Schärfe der Verdrängungsstufe und der Nettobilanz der Stufenhöhen an den verschiedenen Übergängen gefolgert werden, dass beim Passieren der A-SL-Phasengrenzlinie in Probenbereichen, die sich in der A-Phase befinden, die A-Phase durch die Supraleitung verdrängt wird. Im Fall von Übergängen ausreichender Schärfe ist die Ausbildung der A- und der SL-Phase und die Verdrängung homogen. In die Kategorie des Einkristalls #1B wurde ein weiterer Einkristall (#3Nu) eingeordnet, der unter ähnlichen Züchtungsbedingungen wie die Einkristalle #1Nu und #2Nu (#1,2Nu) hergestellt wurde. Durch den Vergleich der Schallexperimente an den verschiedenen Kristallen wurde der Einkristall #3S als Prototyp für einen Supraleiter mit ausgeprägten und scharfen A-Phasen- und Verdrängungsanomalien identifiziert. In diesem liegt bei B = 0 die Temperatur Tc für den Übergang von A nach SL dicht unterhalb von TA für den Übergang in die A-Phase. Für die Qualität des Prototyps #3S stehen die im Rahmen dieser Arbeit gefundenen magnetoakustischen Quantenoszillationen. Seine anisotropen B-T-Diagramme wurden für statische Magnetfelder bis 27 T gemessen. Eine weitere Phase, die sich der B-Phase im Hochfeld anschließt, konnte im zugänglichen Temperatur- und Feldbereich nicht gefunden werden. In den großen Einkristallen #1,2Nu ließ sich das Verhalten von #3S in wesentlichen Punkten reproduzieren. Zusammen ergaben sie hinreichend viel Material einheitlicher Eigenschaften, um daran m+SR-Experimente durchzuführen. Ihre Schallanomalien erreichen fast vergleichbare Größen wie die in #3S, sind jedoch weniger scharf als in diesem. In den Dämpfungsmessungen an den Phasenübergängen treten größere Unterschiede zwischen #2Nu und #3S hervor. Die vergleichende Analyse der relativen Dämpfung an den diversen Übergängen stützt den Befund, dass die Supraleitung die A-Phase verdrängt. Die Schallexperimente an #3S unter uniaxialem Druck entlang der a-Achse des tetragonalen Gitters von CeCu2Si2 zeigen, dass schon geringer Druck (» 0,3 kbar) eine Verschiebung der Phasengrenzlinien bewirkt: Die A-Phase wird destabilisiert, im Gegenzug wird die Supraleitung stabilisiert. Bevor noch die Verschiebung merklich wird, tritt eine allerdings stark anisotrope Reduktion der Anomaliegrößen auf. Letztere korrespondiert mit der Anisotropie des statischen Verzerrungszustands, den der uniaxiale Druck bewirkt. Bei ca. 0,3 kbar wird die APhasengrenzlinie merklich zu kleineren und die Grenzlinie des Übergangs von A nach SL zu höheren Feldern verschoben. Im Bereich der Übergangstemperaturen TA und Tc bei B = 0 ist das Verhalten der Phasen aufgrund der reduzierten Schallanomalien schwieriger zu analysieren. Auch wenn davon ausgegangen wird, dass die Anomalien unter dem Einfluss des Druckes an sich reduziert sind, können die Größenverhältnisse und die Verbreiterung der Anomalien anzeigen, dass aufgrund der gegenläufigen Druckabhängigkeit von TA und Tc nur noch ein Teilvolumen A-Phase entwickelt. Die Schallexperimente wurden auf Einkristalle der zu CeCu2Si2 isostrukturellen Verbindungen CeCu2Ge2 und CePd2Si2 ausgedehnt. Diese ordnen bei Normaldruck langreichweitig mit bekannter magnetischer Struktur. CeCu2Ge2 geht bei ca. 4,4 K in eine inkommensurabel [Knopp,1989], CePd2Si2 bei ca. 10 K in eine kommensurabel geordnete antiferromagnetische Phase über [Grier, 1988]. Die Messungen an einem CeCu2Ge2-Einkristall mit TN = 4,5 K führen für B // a auf ein komplexes B-T-Diagramm, dessen Topologie durch mindestens einen kritischen Punkt gekennzeichnet ist. Im Nullfeld gibt es keine reproduzierbaren Hinweise auf einen weiteren Phasenübergang. Auch bei CeCu2Ge2 und CePd2Si2 erscheint der Magnetismus als sensitiv auf die Stöchiometrie und strukturelle Inhomogenitäten. Für beide Verbindungen treten Einkristalle mit reduziertem TN auf. Dies wird aber nicht von einer signifikanten Reduktion der Anomaliegrößen begleitet. Im Fall der CeCu2Ge2-Einkristalle mit TN = 3,5 K tritt bereits im Nullfeld ein weiterer Übergang (M) bei einer Temperatur TM im Bereich von 1,7 K-2,5 K auf, der sich für B // a entlang der M-Linie auf den kritischen Punkt zubewegt. Im B-T-Gebiet, das in der Halbebene oberhalb der Temperatur des kritischen Punktes liegt, gleicht die Topologie des Phasendiagramms der des 4,5 K-Einkristalls. Darauf stützt sich unter anderem die Folgerung, dass bei B = 0 für TM < T < TN die magnetischen Strukturen der Einkristalle mit TN = 4,5 K und TN = 3,5 K einander ähnlich sind. In einem CePd2Si2-Einkristall mit TN = 10 K verharrt TN für B // c auch bei 12 T auf dem Wert für B = 0. Die vorhandenen Ultraschallmessungen geben keine Hinweise auf weitere Übergänge für T < TN und B £ 12 T. Dies gilt auch für den CePd2Si2-Einkristall mit einem reduzierten TN von 8,8 K. Bei den m+SR-Experimenten an den CeCu2Ge2- und CePd2Si2-Einkristallen mit reduziertem TN wurde erwartet, bei geeigneter experimenteller Geometrie in der geordneten Phase ein Präzessionsmuster im m+SR-Signal zu erhalten. Hierfür muss in der Verteilung der inneren Magnetfelder, die von den geordneten magnetischen Momenten erzeugt werden und um welche die Myonenspins präzedieren, genügend statistisches Gewicht auf einem endlichen Feldbetrag liegen. Im Fall von CeCu2Ge2 ist aufgrund der Inkommensurabilität mit einer der magnetischen Struktur innewohnenden Relaxation des Signals zu rechnen. Sowohl in CeCu2Ge2 als auch in CePd2Si2 ist der Übergang in die geordnete Phase durch das Auftreten einer schnell relaxierenden Komponente gekennzeichnet. Diese ist auch innerhalb der geordneten Phasen dominant. Der zügige Anstieg ihrer Amplitude korrespondiert mit der Stufenanomalie in den elastischen Konstanten am Übergang. Das in CePd2Si2 beobachtete Präzessionsmuster bzw. der Ansatz zu nicht monotonem Verhalten in CeCu2Ge2 unterhalb des Übergangs ist nur schwach ausgeprägt. Aus der schnellen Anfangsdepolarisation, von welcher der Großteil des Signals betroffen ist, wurde geschlossen, dass eine Inhomogenität der Feldverteilung infolge struktureller Inhomogenitäten der Proben Ursache für die Diskrepanzen zwischen beobachtetem und erwartetem Verhalten ist. Im Fall von CeCu2Ge2 können neben den Störungen der Gitterperiodizität dynamische Effekte auf Grund der Nähe zu den M-Übergängen bei TM < TN hinzukommen. Die m+SR-Experimente an supraleitenden CeCu2Si2-Einkristallen zeigen, dass mit der Entwicklung der A-Phase eine gaußförmig schnell relaxierende Komponente im zweikomponentigen m+SR-Signal verknüpft ist. Das Verhalten dieser Komponente lässt sich durch die Temperaturabhängigkeit ihrer Amplitude a1 und ihrer Rate S1 charakterisieren. Sie ist in den Einkristallen #1,2Nu, die in den elastischen Konstanten große A-Phasen- und Verdrängungsanomalien aufweisen, zu beobachten, nicht aber im Supraleiter #1B, der im Nullfeld keine APhase ausbildet, sondern direkt in die supraleitende Phase (SL) übergeht. Aus dem Vergleich der Werte für die Relaxationsrate der schnell relaxierenden Signalkomponente wurde geschlossen, dass die A-Phase mit dem Zustand der magnetischen Volumina, die in Polykristallen detektiert wurden und deren magnetische Momente elektronischen Ursprungs sein müssen [Luke, 1994,; Feyerherm, 1997], identisch ist. In der SL-Phase von #1B ist die gaußförmige Relaxation des m+SR-Gesamtsignals so langsam wie in der C-Phase. Im m+SR-Signal der Einkristalle kann übereinstimmend mit den Polykristalldaten in der APhase für die gewählte Geometrie kein spontanes Präzessionsmuster beobachtet werden. Die monotone, gaußförmige Relaxation des Signals weist auf eine inhomogene Feldverteilung mit statistisch verteilten Magnetfeldbeträgen hin. Diese Felder haben eher statischen Charakter. In den Einkristallen #1,2 Nu sind aber die mittleren Übergangstemperaturen der Phasenübergangssequenz C-A-SL gegenüber dem Prototyp #3S reduziert und die Schallanomalien verbreitert. Aufgrund der m+SR-Ergebnisse für die CeCu2Ge2- und CePd2Si2-Proben mit reduzierten Übergangstemperaturen wurde daher in Betracht gezogen, dass die im m+SR-Signal erkennbaren Merkmale der Feldverteilung nicht nur auf die „Struktur“ oder den Ordnungstypus der A-Phase zurückgehen, sondern auch durch strukturelle Inhomogenitäten des Materials geprägt sind. Störungen des Kristallgitters können eine Inhomogenität der Feldverteilung bewirken, durch welche die Charakteristika der A-Phase zumindest teilweise verdeckt werden können. Überhaupt kann der Ordnungstyp der A-Phase untrennbar mit dem Vorhandensein von Gitterstörungen verknüpft sein. Um die Natur der A-Phase eindeutig zu klären, sind Neutronenbeugungsexperimente notwendig. Bei den im Zusammenhang mit dieser Arbeit durchgeführten Neutronenexperimenten konnten bislang keine magnetischen Bragg-Reflexe gefunden werden. Die m+SR-Experimente an den Einkristallen bestätigen das Szenario der Verdrängung der APhase durch die Supraleitung, wie es in den Schallexperimenten an den CeCu2Si2-Einkristallen gefunden wurde: In den Einkristallen #1,2 Nu steigt die normierte Amplitude a1(T) der Komponente des m+SR-Signals, die auf die A-Phase zurückgeht, unterhalb von 0,80 K zügig auf einen Maximalwert von 75 % bei ca. 0,60 K an. Dieser Anstieg von a1 korrespondiert mit der negativen Stufenanomalie, die in der Temperaturabhängigkeit der relativen Änderung Dcii(T)/cii 0 (i =1,3) der elastischen Konstanten beim Übergang von der C- in die A-Phase auftritt. Die Abnahme von a1 unterhalb von 0,60 K korrespondiert mit der positiven Stufenanomalie in Dcii/cii 0 am Übergang von A nach SL. Tc = 0,60 K wird mit dem Einsetzen der Supraleitung assoziiert. Diese Korrespondenz zwischen Schallanomalien und a1(T) geht soweit, dass der Verlauf von Dcii(T)/cii 0 sich beinahe durch die Multiplikation von a1(T) mit einem konstanten Proportionalitätsfaktor reproduzieren lässt. Mit Einschränkungen kann a1(T) als Maß für das Probenvolumen, das sich in der A-Phase befindet, betrachtet werden. Dcii(T)/cii 0 skaliert also mit dem A-Phasenvolumen. Dieser Zusammenhang ergibt sich auch aus einer einfachen Modellbetrachtung für eine inhomogene Entwicklung und Verdrängung der A-Phase durch die Supraleitung im Probenvolumen. Der Proportionalitätsfaktor ist hierbei mit der negativen Stufe in Dcii(T)/cii 0 am Übergang von C nach A in einer idealen homogenen Probe identisch. Im Fall des Einkristalls #3S ist im Bereich des Übergangs von C nach A der Verlauf der Kurve, die mit -7,9 x 10-4 a1(T) errechnet wurde, mit Dc11(T)/c11 0 identisch. Im Bereich der Verdrängungsanomalie reproduziert die errechnete Kurve ein Ansteigen von Dc11(T)/c11 0, aber die Abweichung nimmt mit sinkender Temperatur zu. Gemessen an den durchgeführten Approximationen innerhalb der Modellbetrachtung ist die Übereinstimmung aber beachtlich. Der prototypische Einkristall #3S weist größere und schärfere Schallanomalien als die Einkristalle #1,2Nu auf, ist aber für m+SR-Messungen viel zu klein. Mit dem Wert von -7,9 x 10-4 für den Proportionalitätsfaktor lässt sich in umgekehrter Weise zum Vorgehen bei den Einkristallen #1,2Nu die an #3S gemessenen Kurve von Dc11(T)/c11 0analysieren. Das Ergebnis für a1(T) zeigt, dass sich im gesamten Probenvolumen von #3S die A-Phase entwickelt und ihre Verdrängung durch die Supraleitung vollständig und quasi homogen erfolgt. Verdrängt die Supraleitung die A-Phase, müssen der A-Phasenordnungsparameter und die inneren magnetischen Felder, die anzeigen, dass die A-Phase vorliegt, wieder verschwinden. Die Relaxationsrate S1 der Komponente im Signal, die mit der A-Phase verknüpft wird, kann als Maß für den Ordnungsparameter betrachtet werden. In den Einkristallen #1,2Nu zeigt die Temperaturabhängigkeit S1(T) einen Bruch in ihrem Verhalten, wenn die zügige Abnahme von a1(T) aufgrund der Verdrängung der A-Phase einsetzt: Sie geht für sinkende Temperatur in ein Regime eines deutlich abgeschwächten Anstiegs über. Dies wurde im Bild einer inhomogenen Entwicklung der Phasen als Folge eines Nettoeffekts diskutiert, zu dem Probenbereiche beitragen, in denen die A-Phase kurz davor steht, von der Supraleitung verdrängt zu werden und deshalb der A-Phasenordnungsparameter und einhergehend die inneren magnetischen Felder nicht mehr zunehmen oder sogar zurückgehen. Um ein solches Verhalten zu verifizieren, braucht es Messungen an Einkristallen mit scharfen Phasenanomalien und einem breiteren Temperaturgebiet, auf dem die A-Phase bei B = 0 existiert. Aufgrund der Konkurrenz der Wechselwirkungen, an denen die f-Elektronen partizipieren, lässt sich im CeCu6-xAux-System durch Variation der Konzentration x ein Übergang zwischen einem magnetischen und einem nichtmagnetischen Grundzustand induzieren. Auf die Nähe zum T=0-Phasenübergang werden in CeCu5,9Au0,1 die Abweichungen vom Fermiflüssigkeitsverhalten, das in der spezifischen Wärme, der magnetischen Suszeptibilität und dem elektrischen Widerstand von CeCu6 näherungsweise beobachtbar ist, zurückgeführt. In den vergleichenden Messungen der longitudinalen elastischen Konstanten an CeCu5,9Au0,1 und CeCu6 traten erst unterhalb von 1 K Unterschiede für die beiden Konzentrationen auf. Die Übereinstimmung im globalen Verhalten legte nahe, dass auch im Fall von CeCu5,9Au0,1 die Schalleffekte durch die Grüneisenparameterkopplung beschreibbar sind. In der Grüneisenparameterformel folgt die adiabatische elastische Konstante der Temperaturabhängigkeit des elektronischen Beitrags zur Inneren Energie mit den richtungsabhängigen Grüneisenparametern als Proportionalitätskonstanten. Da die beobachteten Unterschiede klein sind, ist es umso erstaunlicher, dass sie nicht vollständig durch die Unterschiede in der Änderung der Inneren Energie erfasst werden können. Zudem sind sie moden- und damit richtungsabhängig. Diese Ergebnisse wurden im Bild einer Temperaturabhängigkeit der betroffenen Grüneisenparameter diskutiert.
Interacting ultracold gases in optical lattices: non-equilibrium dynamics and effects of disorder
(2012)
This dissertation aims at giving a theoretical description of various applications of ultracold gases. A particular focus is cast upon the dynamical evolution of bosonic condensates in non-equilibrium by means of the time-dependent Gutzwiller method. Ground state properties of strongly interacting fermionic atoms in box and speckle disordered lattices are investigated via real-space dynamical mean-field theory. ...
In this doctoral thesis the transformation from relativistic hydrodynamics to transport and vice versa is studied. Approximations made by hybrid (hydrodynamics + transport) simulations of relativistic heavy ion collisions are discussed and their reliability is assessed at intermediate collision energies. A new method to simulate heavy ion collisions is suggested, based on the forced thermalization in high-density regions.
This thesis contains three theoretical works about certain aspects of the interplay of electronic correlations and topology in the Hubbard model.
In the first part of this thesis, the applicability of elementary band representations (EBRs) to diagnose interacting topological phases, that are protected by spatial symmetries and time-reversal-symmetry, in terms of their single-particle Matsubara Green’s functions is investigated. EBRs for the Matsubara Green’s function in the zero-temperature limit can be defined via the topological Hamiltonian. It is found that the Green’s function EBR classification can only change by (i) a gap closing in the spectral function at zero frequency, (ii) the Green’s function becoming singular i.e. having a zero eigenvalue at zero frequency or (iii) the Green’s function breaking a protecting symmetry. As an example, the use of the EBRs for Matsubara Green’s functions is demonstrated on the Su-Schriefer-Heeger model with exact diagonalization.
In the second part the Two-Particle Self-Consistent approach (TPSC) is extended to include spin-orbit coupling (SOC). Time-reversal symmetry, that is preserved in the presence of SOC, is used to derive new TPSC self-consistency equations including SOC. SOC breaks spin rotation symmetry which leads to a coupling of spin and charge channel. The local and constant TPSC vertex then consists of three spin vertices and one charge vertex. As a test case to study the interplay of Hubbard interaction and SOC, the Kane-Mele-Hubbard model is studied. The antiferromagnetic spin fluctuations are the leading instability which confirms that the Kane-Mele-Hubbard model is an XY antiferromagnet at zero temperature. Mixed spin-charge fluctuations are found to be small. Moreover, it is found that the transversal spin vertices are more strongly renormalized than the longitudinal spin vertex, SOC leads to a decrease of antiferromagnetic spin fluctuations and the self-energy shows dispersion and sharp features in momentum space close to the phase transition.
In the third part TPSC with SOC is used to calculate the spin Hall conductivity in the Kane-Mele-Hubbard model at finite temperature. The spin Hall conductivity is calculated once using the conductivity bubble and once including vertex corrections. Vertex corrections for the spin Hall conductivity within TPSC corresponds to the analogues of the Maki-Thompson contributions which physically correspond to the excitation and reabsorption of a spin, a charge or a mixed spin-charge excitation by an electron. At all temperatures, the vertex corrections show a large contribution in the vicinity of the phase transition to the XY antiferromagnet where antiferromagnetic spin fluctuations are large. It is found that vertex corrections are crucial to recover the quantized value of −2e^2/h in the zero-temperature limit. Further, at non-zero temperature, increasing the Hubbard interaction leads to a decrease of the spin Hall conductivity. The results indicate that scattering of electrons off antiferromagnetic spin fluctuations renormalize the band gap. Decreasing the gap can be interpreted as an effective increase of temperature leading to a decrease of the spin Hall conductivity.
The enzyme quinol:fumarate reductase (QFR) from the anaerobic e-proteobacterium Wolinella succinogenes is part of the anaerobic respiratory system of this organism. It couples the reduction of fumarate to succinate to the oxidation of menaquinol to menaquinone. W. succinogenes uses fumarate as terminal electron acceptor and can use various substrates (e.g., formate or molecular hydrogen) as electron donors. The concerted catalytic substrate turnover of either a hydrogenase or a formate dehydrogenase in conjunction with QFR contributes to the generation of an electrochemical potential gradient across the bacterial plasma membrane, which is used for the phosphorylation of ADP with inorganic phosphate, Pi, to ATP. In addition to an FAD (in subunit A) and three iron-sulfur clusters (in subunit B), QFR binds a low- and a high-potential heme b group in its transmembrane subunit C, as was ultimately shown in the crystal structure at 2.2 Å resolution (Lancaster et al., 1999, Nature 402, 377– 385). Both hemes are part of the electron transport chain between the two catalytic sites of this redox enzyme. The midpoint potentials of the hemes are well established but their assignment to the distal and proximal positions in the structure had not yet been determined. Furthermore, QFR from W. succinogenes has been proposed to exhibit a novel coupling mechanism of transmembrane electron and proton transfer, which has been described in the so-called “E-pathway” hypothesis (Lancaster, 2002, Biochim. Biophys. Acta 1565, 215–231). The aim of this project was to characterize the relationship between structure and function of QFR and to investigate the details of the proposed coupling mechanism (“Epathway”) with the help of computer-based electrostatic calculations on the QFR wild-type (WT) coordinates, and electrochemically induced FTIR and VIS difference spectroscopy on the QFR WT and available variant enzymes (in particular enzyme variant E180Q, in which the glutamic acid at position C180 has been replaced by a glutamine). 1.) It was demonstrated in this study that the diheme-containing QFR exhibits stable and reproducible electrochemically induced FTIR difference bands in the midinfrared range from 1800 cm-1 to 1000 cm-1 that reflect transitions from the reduced to the oxidized state of the enzyme. The spectral features that were observed in the FTIR difference spectra are fully reversible when changing from a reductive to an oxidative reference potential at the working electrode and vice versa. This indicates that the underlying redox reactions of the enzyme at the gold grid working electrode are also fully reversible under the applied experimental conditions. The same reversible spectral redox behavior in the visible range could also be ascertained for the Soret- and a-band of the two heme b groups of QFR. This behavior allowed to reliably determine the heme b midpoint potentials of QFR at various pH values. Analysis of the FTIR difference spectra in the amide I range yields evidence for structural reorganizations of the polypeptide backbone upon the electrochemically induced redox reaction. 2.) The redox titrations of the high- and low-potential heme b of QFR as simulated by multiconformation continuum electrostatics (MCCE) calculations showed a very high level of agreement with respect to the experimentally observed midpoint potentials of the heme b groups at pH 7. As determined with the help of the theoretical calculations, prominent features governing the differences in redox potential between the two hemes are the higher loss of reaction field energy for the proximal heme and the stronger destabilization of the oxidized form of the proximal heme due to several buried and ionized Arg and Lys residues. The explicit incorporation of crystallographically identified water molecules in the calculations had a noticeable effect on the absolute values of the determined midpoint potentials, although the relative difference of the two obtained midpoints did not change significantly. The results of the electrostatic calculations clearly showed that the lowpotential heme corresponds to the distal position bD in the structure, and that the high-potential heme is identical to the proximal heme bP. This assignment could previously not be achieved unequivocally with experimental methods. 3.) In addition, the currently discussed mechanism of coupled electron and proton transfer in the QFR of W. succinogenes (i.e., the “E-pathway” hypothesis) is further supported by the results of this study. The simulations of intermediate states of electron transfer via the heme b groups show that the protonation state of the key amino acid residue Glu C180 depends on the redox states of the heme groups as suggested in the “E-pathway” hypothesis. This result yields a possible mechanism for the coupling of transient transmembrane proton transfer via Glu C180 to the electron transfer via the heme b groups, since Glu C180 could be part of a “proton wire” and its redox-dependent protonation state could serve as the regulatory element of the “E-pathway”. Furthermore, the results of simulated heme reduction indicate that the side chain of Glu C180 also changes its conformation with respect to the redox state of the hemes. Both major results concerning the role of Glu C180, the change of protonation as well as the reorientation of the side chain upon reduction of the heme groups, are consistent with the results from electrochemically induced FTIR difference spectroscopy: Of particular interest was the spectral range above 1710 cm-1, where C=O stretching vibrations of protonated COOH carboxyl groups absorb, because those groups can act as proton donors, respectively acceptors, and can be involved in intra-protein proton transfer reactions. It was possible to observe signals of such protonated carboxyl groups originating from QFR enzyme, which either change their protonation state and/or experience an environmental change in the course of the induced redox reaction. This finding was supported by the fact that the relevant FTIR difference signals are sensitive to an isotopic hydrogen/deuterium (1H/2H) exchange via the buffer solution, since they were shifted towards lower wavenumbers in D2O. Furthermore, it could be shown with the help of site-directed mutagenesis that the acidic residue Glu C180, which is located in the membranespanning, diheme-containing subunit C of QFR, is contributing to the redox dependent signal of protonated carboxyl groups. The observed residual signal in the FTIR double-difference spectrum of QFR wild-type and enzyme variant E180Q (Glu C180 has been replaced with a Gln residue) could be interpreted as a protonation/deprotonation event that is superimposed by an environmental effect on the specific C=O vibration. This result strongly supports the proposed “E-pathway” of coupled transmembrane electron and proton transfer in the QFR enzyme, which states that residue Glu C180 is an essential constituent of a transient redox-controlled transmembrane proton transfer pathway. 4.) As a second possible constituent of the suggested “E-pathway”, the ring C propionate of the distal heme was found to be unusually fully protonated in all simulated redox states, indicating a possible role as a transient proton donor/acceptor in the “E-pathway”. Similarly to Glu C180, experimental evidence from FTIR difference spectroscopy on a modified QFR with 13C-labeled heme propionates was obtained, which indicates an involvement of at least one of the two propionates of heme bD in proton transfer. The observed signals can tentatively be interpreted as a redox-coupled (de)protonation of the ring C propionate of bD, which is possibly xiii superimposed by a conformational or environmental change of the specific propionate. 5.) Also the observation of a strong redox Bohr effect for both heme b groups in QFR is in line with the proposed “E-pathway” hypothesis, as this effect yields a possible and well-established mechanism for the coupling of proton transfer and redox changes of the heme groups. The comparison of the observed effect in QFR WT and E180Q together with the results from FTIR spectroscopy and MCCE calculation indicate that the ring C propionate of the distal heme is dominating the pHdependence of the midpoint potential of bD, and that the corresponding group for bP is Glu C180. The origin of the redox Bohr effect for bP in the enzyme variant E180Q (which is dramatically changed with respect to the WT) could not be identified unequivocally, but the observation of this redox Bohr effect in the variant implies the presence of other protolytic groups, which interact with heme bP and which may be necessary for a functional “E-pathway”.
Diese Doktorarbeit widmet sich der Untersuchung von Systemen von Quarks und der Wechselwirkung zwischen ihnen mit Hilfe von Lattice QCD. Aus Quarks zusammengesetzte Objekte heißen Hadronen. Ein bestimmter Typ von Hadronen ist das sogenannten Tetraquark. In Teilchendetektoren wie dem LHCb in der Schweiz oder Belle in Japan wurden in jüngerer Zeit Zustände gefunden, die als Kandidaten für Tetraquarks gelten. Diese Arbeit befasst sich mit der Beschreibung und Untersuchung solcher Tetraquark-Zustände. Die Systeme, um die es in dieser Arbeit hauptsächlich geht, enthalten vier Quarks unterschiedlicher Masse. Zwei Quarks wird im Großteil der Arbeit eine unendlich große Masse zugeordnet. Zwei Quarks haben eine endliche Masse. In dieser statisch-leichten Näherung ist es möglich, das Potential der schweren Quarks in Anwesenheit der leichten Quarks zu bestimmen und zu überprüfen, ob es attraktiv genug dazu ist, einen gebundenen Zustand der vier Quarks zu bilden. Dieses Vorgehen ist als Born-Oppenheimer-Approximation bekannt. Die Observable, die berechnet werden muss, ist also das Vier-Quark-Potential.
Im ersten Teil der Arbeit werden verschiedene Vier-Quark-Potentiale aufgeführt und die zugehörigen Quantenzahlen genannt. Jeder der geeigneten Kanäle wird auf seine Fähigkeit untersucht, einen gebundenen Zustand zu bilden. Eine ausführliche systematische und statistische Analyse liefert den eindeutigen Befund, dass Bindung nur für Isospin I = 0 und nichtstatistsche u- und d-Quarks möglich ist. Im Falle von I = 1 oder nichtstatistschen s- und c-Quarks ist kein gebundener Zustand zu erwarten. Schließlich wird für den Fall der u- und d-Quarks eine Extrapolation zu physikalischen Quarkmassen durchgeführt. Die Bindung wird mit abnehmender Quarkmasse stärker. Am physikalischen Punkt wird eine Bindungsenergie von −90(+43−36) MeV festgestellt. Somit wird für Quantenzahlen I(J^P) = 0(1^+) ein gebundener b̄b̄ud-Zustand postuliert. Im zweiten Teil der Arbeit wird die statisch-leichte Näherung aufgehoben. So kann der Spin der schweren Quarks einbezogen werden. Dies führt unter anderem dazu, dass B- und B* -Mesonen unterscheidbar werden. Ein Nachteil dessen, dass vier Quarks endlicher Masse verwendet werden, ist der, dass es nun nicht mehr möglich ist, das Potential der schweren Quarks in Gegenwart der leichten zu bestimmen. Stattdessen wird aus der Korrelationsfunktion des Vier-Quark-Zustands direkt die Masse bestimmt. Zur Beschreibung der schweren Quarks wird der Ansatz der Nichtrelativistischen QCD (NRQCD) gewählt. Es wird der aus dem ersten Teil bekannte gebundene b̄b̄ud-Zustand mit Quantenzahlen I(J^P) = 0(1^+) weiter untersucht. Wir nehmen an, dass die Quantenzahlen durch ein BB*-Molekül realisiert werden. Wir bestimmen mithilfe des generalisierten Eigenwertproblems (GEP) den Grundzustand. Die Masse des Grundzustands ist ein Hinweis auf die Existenz eines gebundenen Zustands. Insgesamt bekräftigt der Befund das im ersten Teil der Arbeit gefundene Resultat, die Vorhersage eines bisher nicht gemessenen Tetraquark-Zustandes, qualitativ. Im dritten Teil der Arbeit geht es um Vier-Quark-Systeme, die ein schweres Quark und ein schweres Antiquark sowie ein leichteres Quark und ein leichteres Antiquark enthalten. Neben einem gebundenen Vier-Quark-Zustand ist u.a. die Bildung eines Bottomonium-und-Pion-Zustands möglich. Dies macht die theoretische Beschreibung dieses Systems ungleich schwieriger als die Beschreibung des im ersten und zweiten Teil der Arbeit untersuchten Systems. Seine experimentelle Untersuchung hingegen ist weniger aufwändig. So wurden bereits Kandidaten für einen solchen Zustand gemessen: Z_b(10610) und Z_b(10650). Zunächst wird ein Szenario beschrieben, in welcher Reihenfolge die zu den verschiedenen Strukturen gehörenden Potentiale vorliegen. So handelt es sich bei dem Grundzustandspotential des Systems um das Potential eines unangeregten Bottomonium-Zustands mit einem Pion in Ruhe. Darüber liegen zahlreiche Bottomonium-Zustände mit Pionen mit endlichem Impuls. Inmitten dieser Potentiale liegt gegebenenfalls das gesuchte Tetraquark-Potential. Ziel ist, einen Weg zu finden, die Bottomonium-und-Pion-Potentiale und das Tetraquark-Potential voneinander zu unterscheiden. Im ersten Schritt wird der Bottomonium-und-Pion-Grundzustand mithilfe des GEP aus dem System entfernt. Der erste angeregte Zustand ist im Anschluss daran weitgehend frei von Einflüssen des Grundzustands. Man findet, dass das Potential des ersten angeregten Zustandes attraktiv ist, sodass die Bildung eines Tetraquark-Zustandes nicht ausgeschlossen ist. Um den ersten angeregten Zustand weiter zu untersuchen, wird ein quantenmechanisches Modell verwendet, das die Volumenabhängigkeit des Überlapp eines Testzustands mit den verschiedenen Strukturen beschreibt. Es damit prinzipiell möglich, unter Zuhilfenahme mehrerer Gittervolumina eine Aussage über die Struktur des ersten angeregten Zustands zu treffen.
In the work presented herein the microscopic transport model BAMPS (Boltzmann Approach to Multi-Parton Scatterings) is applied to simulate the time evolution of the hot partonic medium that is created in Au+Au collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) and in Pb+Pb collisions at the recently started Large Hadron Collider (LHC). The study is especially focused on the investigation of the nuclear modification factor R_{AA}, that quantifies the suppression of particle yields at large transverse momentum with respect to a scaled proton+proton reference, and the simultaneous description of the collective properties of the medium in terms of the elliptic flow v_{2} within a common framework.