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In dieser Dissertation werden die Erfahrungen mit verschiedenen Präparationsmethoden für CH-Kavitäten beschrieben, um die Leistung der Kavitäten nach der Herstellung weiter zu steigern. Die Leistung wird anhand von zwei wichtigen HF-Parametern bewertet:
dem elektrischen Feld Ea und der intrinsischen Güte Q0. Im Gegensatz zu normalleitenden (NC) Kavitäten kann die intrinsische Güte von supraleitenden (SC) Kavitäten mit zunehmendem elektrischem Feld erheblich variieren. Das optimale Ergebnis für die Kavitätenpräparation ist die Erhöhung des maximalen elektrischen Feldes unter Beibehaltung eines höheren Q0 über die gesamte Feldspanne. Da Q0 umgekehrt proportional zu den Kavitätsverlusten ist, reduziert eine Erhöhung des Qualitätsfaktors die Kryoverluste für den Betrieb bei gegebenem Feldniveau. Die Entwicklung der Kavitätenperformanz im Verlauf dieser Arbeit dargestellt.
Die meisten SC-Kavitäten sind elliptische Strukturen, welche bei hoher Geschwindigkeit und Tastrate angewendet werden. Die Präparationsmethoden wurden daher überwiegend auf diese Strukturen angewandt und optimiert. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Umsetzung der zuverlässigsten und vielversprechendsten Oberflächenbehandlungen mittels des ersten vom IAP entwickelten SC 360MHz CH-Prototyps. Diese Kavität wies nach 11 Jahren Lagerung eine verminderte Leistung auf, welche mit Röntgenstrahlung bei bereits niedrigen elektrischen Feldern einherging. Dies deutet auf eine unbeabsichtigte Belüftung mit normaler Luft hin, durch die Partikel eingeführt wurden, die als verstärkende Quellen von Elektronen fungierten. Außerdem musste der Leistungskoppler aufgrund einer starken Überkopplung neu ausgelegt werden.
Die Kavität wurde für 48 Stunden bei 120◦ C mittels Heizbändern in der Experimentierhalle des IAP’s ausgeheizt, was zu einer Verbesserung des Qualitätsfaktors bei niedrigen Werten und zu einer Verkürzung der für die Konditionierung von Multipacting-Barrieren erforderlichen Zeit führte. Allerdings wurde durch diese Behandlung das maximale erreichbare elektrische Feld weiter verringert. Die Verbesserung der Güte ist auf das Ausgasen der Kohlenwasserstoffe während des Backvorgangs zurückzuführen. Die negative Auswirkung auf das maximale elektrische Feld ist weniger auf das Backen selbst zurückzuführen als auf den Transport der Kavität und die verwendeten Vakuumkomponenten, die in der Versuchshalle gelagert sind.
Die beobachtete Leistungseinschränkung lässt sich hauptsächlich durch Partikel im Inneren des Resonators erklären, da Feldemission bei niedrigen Feldstärken auftrat. Eine Hochdruckspülung mit ultrareinem Wasser (HPR) ist das Standardverfahren, um nach Behandlungen, bei denen das Risiko einer Oberflächenkontamination besteht, eine hohe Reinheit der inneren Oberflächen zu erreichen. Die HPR wurde in Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Institut-Mainz und der Gesellschaft für Schwerionenforschung geplant und durchgeführt. Der Resonator zeigte bereits während der Messung der Q-E-Kurve eine Zunahme der transmittierten Leistung bei konstanter Vorwärtsleistung, was vor der HPR nicht der Fall war. Bei der CW-HF-Konditionierung zeigte die Kavität den höchsten Gradienten bei einem deutlich schwächeren Q-Abfall bei hohen Feldstärken.
Sowohl bei der Messung von 2008 als auch bei der beschriebenen Messung wurde die Kavität mit einer HPR-Behandlung fertiggestellt, aber für die HPR-Behandlung bei HIM in Mainz wurden einige Anpassungen vorbereitet. Der CH Prototyp verfügt über keine zusätzlichen Spülports und wurde daher mit zwei verschiedenen Düsen mit unterschiedlichen Sprühwinkeln gespült, um die erreichbaren inneren Resonatorflächen zu maximieren. Die Verwendung mehrerer Sprühwinkel könnte auch für CH-Kavitäten mit Spülöffnungen von Vorteil sein und sollte für zukünftige HPR-Anwendungen in Betracht gezogen werden.
Die Heliumbehandlung wurde am CH-Prototyp 2,5 Stunden lang durchgeführt und lieferte vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf die Güte und die Gradientenoptimierung.
Während dieses Prozesses wurde die emittierte Röntgenstrahlung in Richtung am Arbeitsplatzs gemessen und zeigte starke zeitabhängige Fluktuationen. Dies deutete auf die Beseitigung von Partikeln hin und wurde anschließend durch einen Anstieg des elektrischen Feldes von 8,4 auf 8,7 MV/m bestätigt. Eine unerwartete Auswirkung wurde bei der Q-Steigung im mittleren bis hohen Feld festgestellt, bei der der Qualitätsfaktor im Vergleich zum HF-konditionierten Fall eine Erhöhung von 5% oberhalb von 2MV/m aufwies. Dieser systematische Anstieg wurde für diesen Beschleuniger vor der Behandlung bisher nicht beobachtet. Stickstoffgedopte Kavitäten zeigen ein ähnliches Verhalten, bei dem Wechselwirkungen innerhalb der Oxidschicht mit Änderungen der Qualitätsfaktoren korreliert sind. Da Helium ein nicht reaktives Element ist, sind mögliche Erklärungen für diesen Effekt der Sputterprozess und die Einlagerung von Helium innerhalb der Oberfläche. Eine Serie von Heliumbehandlungen ist geplant, um ein optimiertes und sicheres Rezept für CH-Kavitäten zu finden. Die Q-E-Messung nach der Abkühlung und vor der Behandlung wird auch zeigen, ob der Leistungsgewinn durch ein Aufwärmen auf Raumtemperatur beeinträchtigt wird.
Die in dieser Arbeit skizzierte Behandlungssequenz wird für CH-Kavitäten dringend empfohlen. Das Ausheizen hat sich bei der Verringerung des Multipactings and der Güteabnahme bei hohen Feldern als wirksam erwiesen und bleibt von der anschließenden HPR unbeeinflusst. In dieser Arbeit wurden keine negativen Auswirkungen der HPR auf das Multipactingverhalten festgestellt. Anschließend wird eine CW-HF-Konditionierung durchgeführt, bis keine weitere Leistungszunahme der Kavität mehr zu verzeichnen ist.
Wenn die Kavität immer noch durch Feldemission begrenzt ist, sollte eine Wiederholung der HPR-Behandlung in Betracht gezogen werden, da bei sorgfältiger Durchführung der HPR keine der bisherig gefertigten CH-Kavitäten hierdurch begrenzt war. Es ist auch anzumerken, dass die Heliumbehandlung nur an der 360MHz CH-Kavität durchgeführt wurde, als diese eine geringe Strahlung durch Feldemission aufwies. Das Risiko des Heliumprocessing an CH-Kavitäten unter starker Feldemission ist unbekannt. Es ist zu erwarten, dass die Elektronenströme und damit die Ionenbeschusslawinen zunehmen und ein größeres Risiko für die Beschädigung von der Komponenten darstellen. Nach dem derzeitigen Kenntnisstand sollte die Heliumbehandlung nur für gut vorbereitete Kavitäten mit minimaler Feldemission in Betracht gezogen werden.
Die Arbeit behandelt die Messung von Photonen mit Teilchendetektoren, die auf digitalen Silizium-Pixelsensoren basieren. Diskutiert werden zwei wesentliche Schritte in den Upgrade-Programmen des ALICE-Experiments am CERN-LHC:
1. FOCAL-Detektor-Upgrade (2027): Untersuchung der Detektorantwort des elektromagnetischen Pixel-Kalorimeters EPICAL-2 und der Form elektromagnetischer Schauer durch Teststrahl-Messungen und Monte Carlo Simulationen.
2. ALICE 3-Upgrade (2035): Simulationsstudien zum Untergrund in der Messung von Photonen mit sehr kleinem Transversalimpuls.
Teil 1: Performance des elektromagnetischen Pixel-Kalorimeters EPICAL-2
Detektordesign und Testmessungen: EPICAL-2, ein SiW-Sandwich-Design-Kalorimeter mit ALPIDE Sensoren, besitzt eine Tiefe von ca. 20 Strahlungslängen und etwa 25 Millionen Pixel. Testmessungen wurden an der Universität Utrecht (kosmische Myonen) sowie am DESY und CERN-SPS (Elektronen) durchgeführt.
Simulation und Validierung: Das EPICAL-2 wird im Simulationspaket Allpix2 implementiert, um die Testmessungen zu validieren und das Detektorverhalten zu untersuchen. Systematische Variationen bestätigen die Stabilität und Reproduzierbarkeit der Simulation.
Datenaufbereitung und Schauerprofile: Im Rahmen der Datenanalyse werden fehlerhafte Pixel ausgeschlossen, Pixel-Treffer zu Clustern gruppiert, Chips kalibriert und der Strahlwinkel korrigiert. Das longitudinale Profil elektromagnetischer Schauer zeigt, dass das Schauermaximum in der Simulation etwas tiefer liegt als in den Testdaten, was auf zusätzliches Material oder eine unvollständige Beschreibung der Schauerentwicklung in der Simulation zurückzuführen sein könnte. Das laterale Profil zeigt, dass eine Schauertrennung im Millimeter-Bereich möglich ist.
Energieantwort und -auflösung: Die nicht-lineare Energieantwort wird sowohl in Testdaten als auch in Simulationen beobachtet. Die Energieauflösung des EPICAL-2 für Cluster ist besser als für Pixeltreffer und vergleichbar mit dem analogen CALICE-Prototypen. Simulationen ohne Strahlenergie-Fluktuationen zeigen eine bessere Energieauflösung als in den Testdaten.
Teil 2: Untergrund in der Messung von Photonen in ALICE 3
Simulationssetup: Die ALICE 3-Detektorgeometrie wird in GEANT4 implementiert, um den Untergrund in der Messung weicher Photonen zu untersuchen. Simulationen mit PYTHIA und GEANT4 zeigen, dass der Untergrund hauptsächlich aus Zerfallsphotonen und Photonen aus externer Bremsstrahlung besteht.
Ergebnisse der Untergrundstudien: Der Untergrund durch Photonen aus externer Bremsstrahlung dominiert und liegt im Akzeptanzbereich des FCT um einen Faktor von 5 bis 10 über dem theoretischen Signal weicher Photonen. In der Simulation wird das Material zu 8%—14% X0 in ALICE 3 bestimmt, wobei bereits bei 5% X0 der Untergrund genauso stark ist wie das erwartete Signal.
Möglichkeiten zur Untergrundreduzierung: Untersuchungen zeigen, dass ein Elektron-Veto das Signal-zu-Untergrund-Verhältnis um den Faktor 30 verbessern und eine Materialreduktion durch ein optimiertes Strahlrohr um den Faktor 7.
Die Ergebnisse des ersten Teils dieser Arbeit demonstrieren insgesamt die gute Performance des EPICAL-2 in Bezug auf die Energiemessung und die Bestimmung der Schauerform. Darüber hinaus unterstützen sie den Einsatz digitaler Kalorimeter im FOCAL-Upgrade des ALICE-Experiments und zeigen das Potenzial der digitalen Kalorimetertechnologie für zukünftige Hochenergiephysik-Experimente.
Die Ergebnisse des zweiten Teils dieser Arbeit liefern einen wesentliche Beitrag zum geplanten ALICE 3-Upgrade. Weiterhin veranschaulichen sie, wie ein Elektron-Veto und die Reduzierung des Materials zusammen eine vielversprechende Messstrategie bilden können.
We compute the critical exponents of the O(N) model within the Functional Renormalization Group (FRG) approach. We use recent advances which are based on the observation that the FRG flow equation can be put into the form of an advection-diffusion equation. This allows to employ well-tested hydrodynamical algorithms for its solution. In this study we work in the local potential approximation (LPA) for the effective average action and put special emphasis on estimating the various sources of errors. Our results complement previous results for the critical exponents obtained within the FRG approach in LPA. Despite the limitations imposed by restricting the discussion to the LPA, the results compare favorably with those obtained via other methods.
We compute the critical exponents of the O(N) model within the Functional Renormalization Group (FRG) approach. We use recent advances which are based on the observation that the FRG flow equation can be put into the form of an advection-diffusion equation. This allows to employ well-tested hydrodynamical algorithms for its solution. In this study we work in the local potential approximation (LPA) for the effective average action and put special emphasis on estimating the various sources of errors. Our results complement previous results for the critical exponents obtained within the FRG approach in LPA. Despite the limitations imposed by restricting the discussion to the LPA, the results compare favorably with those obtained via other methods.
We reanalyze some critical exponents of the 𝑂(𝑁) model within the functional renormalization group (FRG) approach in the local potential approximation (LPA). We use recent advances which are based on the observation that the FRG flow equation in LPA can be put into the form of an advection-diffusion equation. This allows to employ well-tested hydrodynamical algorithms for its solution to better estimate various sources of errors. Our results complement previous results for the critical exponents obtained within the FRG approach in LPA and compare favorably with those obtained via other methods.
A search for a massless dark photon 𝛾′ is conducted using 4.5 fb−1 of 𝑒+𝑒− collision data collected at center-of-mass energies between 4.600 and 4.699 GeV with the BESIII detector at BEPCII. No significant signal is observed, and the upper limit on the branching fraction ℬ(Λ+𝑐→𝑝𝛾′) is determined to be 8.0×10−5 at 90% confidence level.
A search for a massless dark photon γ′ is conducted using 4.5 fb−1 of e+e− collision data collected at center-of-mass energies between 4.600 and 4.699 GeV with the BESIII detector at BEPCII. No significant signal is observed, and the upper limit on the branching fraction B(Λ+c→pγ′) is determined to be 8.0×10−5 at 90% confidence level.
A search for a massless dark photon γ′ is conducted using 4.5 fb−1 of e+e− collision data collected at center-of-mass energies between 4.600 and 4.699 GeV with the BESIII detector at BEPCII. No significant signal is observed, and the upper limit on the branching fraction B(Λ+c→pγ′) is determined to be 8.0×10−5 at 90% confidence level.
We report the first observation of the decay Λ+c→Σ−π+π+π0, based on data obtained in e+e− annihilations with an integrated luminosity of 567~pb−1 at s√=4.6~GeV. The data were collected with the BESIII detector at the BEPCII storage rings. The absolute branching fraction B(Λ+c→Σ−π+π+π0) is determined to be (2.11±0.33(stat.)±0.14(syst.))%. In addition, an improved measurement of B(Λ+c→Σ−π+π+) is determined as (1.81±0.17(stat.)±0.09(syst.))%.
Measurement of the absolute branching fraction of the singly Cabibbo suppressed decay Λc⁺ → pη′
(2022)
The singly Cabibbo suppressed decay Λ+c→pη′ is measured using 4.5 fb−1 of e+e− collision data collected at center-of-mass energies between 4.600 and 4.699 GeV with the BESIII detector at BEPCII. Evidence for Λ+c→pη′ with a statistical significance of 3.6σ is reported with a double-tag approach. The Λ+c→pη′ absolute branching fraction is determined to be (5.62+2.46−2.04±0.26)×10−4, where the first and second uncertainties are statistical and systematic, respectively. Our result is consistent with the branching fraction obtained by the Belle collaboration within the uncertainty of 1σ.
Measurement of the absolute branching fraction of the singly Cabibbo suppressed decay Λc⁺ → pη′
(2022)
The singly Cabibbo suppressed decay Λ+c→pη′ is measured using 4.5 fb−1 of e+e− collision data collected at center-of-mass energies between 4.600 and 4.699 GeV with the BESIII detector at BEPCII. Evidence for Λ+c→pη′ with a statistical significance of 3.6σ is reported with a double-tag approach. The Λ+c→pη′ absolute branching fraction is determined to be (5.62+2.46−2.04±0.26)×10−4, where the first and second uncertainties are statistical and systematic, respectively. Our result is consistent with the branching fraction obtained by the Belle collaboration within the uncertainty of 1σ.
Measurement of the absolute branching fraction of the singly Cabibbo suppressed decay Λc⁺ → pη′
(2022)
The singly Cabibbo suppressed decay Λ+𝑐→𝑝𝜂′ is measured using 4.5 fb−1 of 𝑒+𝑒− collision data collected at center-of-mass energies between 4.600 and 4.699 GeV with the BESIII detector at BEPCII. Evidence for Λ+𝑐→𝑝𝜂′ with a statistical significance of 3.6𝜎 is reported with a double-tag approach. The Λ+𝑐→𝑝𝜂′ absolute branching fraction is determined to be (5.62+2.46−2.04±0.26)×10−4, where the first and second uncertainties are statistical and systematic, respectively. Our result is consistent with the branching fraction obtained by the Belle collaboration within the uncertainty of 1𝜎.
Based on e+e− collision data collected at center-of-mass energies from 2.000 to 3.080 GeV by the BESIII detector at the BEPCII collider, a partial wave analysis is performed for the process e+e−→K0SK0Lπ0. The results allow the Born cross sections of the process e+e−→K0SK0Lπ0, as well as its subprocesses e+e−→K∗(892)0K¯0 and K∗2(1430)0K¯0 to be measured. The Born cross sections for e+e−→K0SK0Lπ0 are consistent with previous measurements by BaBar, but with substantially improved precision. The Born cross section lineshape of the process e+e−→K∗(892)0K¯0 is consistent with a vector meson state around 2.2 GeV with a significance of 3.2σ. A Breit-Wigner fit determines its mass as MY=(2164.7±9.1±3.1) MeV/c2 and its width as ΓY=(32.4±21.0±1.8) MeV.
Based on 7.33 fb−1 of 𝑒+𝑒− collision data collected at center-of-mass energies between 4.128 and 4.226 GeV with the BESIII detector, the experimental studies of the doubly Cabibbo-suppressed decays 𝐷+𝑠→𝐾+𝐾+𝜋− and 𝐷+𝑠→𝐾+𝐾+𝜋−𝜋0 are reported. We determine the absolute branching fraction of 𝐷+𝑠→𝐾+𝐾+𝜋− to be (1.24+0.28−0.26(stat)±0.06(syst))×10−4. No significant signal of 𝐷+𝑠→𝐾+𝐾+𝜋−𝜋0 is observed and the upper limit on its decay branching fraction at 90% confidence level is set to be 1.7×10−4.
Based on 7.33 fb−1 of e+e− collision data collected at center-of-mass energies between 4.128 and 4.226 GeV with the BESIII detector, the experimental studies of the doubly Cabibbo-suppressed decays D+s→K+K+π− and D+s→K+K+π−π0 are reported. We determine the absolute branching fraction of D+s→K+K+π− to be (1.23+0.28−0.25(stat)±0.06(syst)) ×10−4. No significant signal of D+s→K+K+π−π0 is observed and the upper limit on its decay branching fraction at 90\% confidence level is set to be 1.7×10−4.
Improved measurement of the branching fractions of the inclusive decays D⁺ → Kₛ⁰X and D⁰ → Kₛ⁰X
(2023)
By analyzing 2.93 fb−1 of e+e− collision data taken at the center-of-mass energy of 3.773 GeV with the BESIII detector, the branching fractions of the inclusive decays D+→K0SX and D0→K0SX are measured to be (32.78±0.13±0.27)% and (20.54±0.12±0.18)%, respectively, where the first uncertainties are statistical and the second are systematic. These results are consistent with the world averages of previous measurements, but with improved precision.
Using 5.9 pb−1 of e+e− annihilation data collected at center-of-mass energies from 3.640 to 3.701 GeV with the BESIII detector at the BEPCII Collider, we measure the observed cross sections of e+e−→K0SX (where X=anything). From a fit to these observed cross sections with the sum of continuum and ψ(3686) and J/ψ Breit-Wigner functions and considering initial state radiation and the BEPCII beam energy spread, we obtain for the first time the inclusive decay branching fraction B(ψ(3686)→K0SX)=(16.04±0.29±0.90)%, where the first uncertainty is statistical and the second is systematic.
We report the first measurements of absolute branching fractions for the W -exchange-only processes + c → 0K + and + c → (1530)0K + with the double-tag technique, by analyzing an e+e− collision data sample, that corresponds to an integrated luminosity of 567 pb−1 collected at a center-of-mass energy of 4.6 GeV by the BESIII detector. The branching fractions are measured to be B(+c → 0K +) = (5.90 ± 0.86 ± 0.39) × 10−3 and B(+c → (1530)0K +) = (5.02 ± 0.99 ± 0.31) × 10−3, where the first uncertainties are statistical and the second systematic. Our results are more precise than the previous relative measurements.
Using 2.93 fb−1 of 𝑒+𝑒− annihilation data collected at a center-of-mass energy √𝑠=3.773 GeV with the BESIII detector operating at the BEPCII collider, we search for the semileptonic 𝐷0(+) decays into a 𝑏1(1235)−(0) axial-vector meson for the first time. No significant signal is observed for either charge combination. The upper limits on the product branching fractions are ℬ𝐷0→𝑏1(1235)−𝑒+𝜈𝑒·ℬ𝑏1(1235) −→ 𝜔𝜋−<1.12×10−4 and ℬ𝐷+→𝑏1(1235)0𝑒+𝜈𝑒·ℬ𝑏1(1235)0→𝜔𝜋0<1.75×10−4 at the 90% confidence level.
Using a data sample of (1.0087±0.0044)×1010 𝐽/𝜓 decay events collected with the BESIII detector at the center-of-mass energy of √𝑠=3.097 GeV, we present a search for the hyperon semileptonic decay Ξ0→Σ−𝑒+𝜈𝑒 which violates the Δ𝑆=Δ𝑄 rule. No significant signal is observed, and the upper limit on the branching fraction ℬ(Ξ0→Σ−𝑒+𝜈𝑒) is determined to be 1.6×10−4 at the 90% confidence level. This result improves the previous upper limit result by about one order of magnitude.