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This thesis deals with the simulation, optimization and realization of quasi-optical scanning systems for active THz cameras. Active THz cameras are sensitive in the THz regime of the electromagnetic spectrum and are suitable for the detection of metal objects such as weapons behind clothing or fabrics (maybe for security applications) or material investigation. An advantage of active THz-systems is the possibility to measure the phase of the THz-radiation and thus to reconstruct the surface topography of the objects under test. Due to the coherent illumination and the required system parameters (like image field size, working distance and lateral resolution) the optical systems (in the THz region often called quasi-optical systems) must be optimized. Specifically, the active illumination systems require highly optimized quasioptical systems to achieve a good image quality. Since currently no suitable multi-pixel detectors are available, the object has to be scanned in one or two dimensions in order to cover a full field of view. This further reinforces the occurring aberrations. The dissertation covers, alongside the underlying theory, the simulation, optimisation and realisation of three different active THz systems. The subdivision of the chapters is as follows: Chapter 1 deals with a motivation. Chapter 2 develops the underlying theory and it is demonstrated that the geometrical optics is an adequate and powerful description of the image field optimization. It also addresses the developed analytic on-axis and the off-axis image field optimization routine. Chapter 3, 4 and 5 are about the basis of various active THz cameras, each presented a major system aspect. Chapter 3 shows how active THz-cameras with very high system dynamics range can be realised. Within this chapter it could although be demonstrated how very high depth resolution can be achieved due to the coherent and active illumination and how high refresh rate can be implemented. Chapter 4 shows how absolute distance data of the objects under test can be obtained. Therefore it is possible to reconstruct the entire object topography up to a fraction of the wavelength. Chapter 5 shows how off-axis quasi-optical systems must be optimized. It is also shown how the illumination geometry of the active THz systems must be changed to allow for real-time frame rates. The developed widened multi-directional lighting approach also fixes the still existing problem of phase ambiguity of the single phase measurement. Within this chapter, the world’s first active real-time camera with very high frame rates around 10 Hz is presented. This could be only realized with the highly optimised quasioptical system and the multi-directional lighting approach. The paper concludes with a summary and an outlook for future work. Within the outlook some results regarding the simulation of synthetic aperture radar systems and metamaterials are shown.
Accurate measurement of the standard 235U(n,f) cross section from thermal to 170 keV neutron energy
(2020)
An accurate measurement of the 235U(n,f) cross section from thermal to 170 keV of neutron energy has recently been performed at n_TOF facility at CERN using 6Li(n,t)4He and 10B(n,α)7Li as references. This measurement has been carried out in order to investigate a possible overestimation of the 235U fission cross section evaluation provided by most recent libraries between 10 and 30 keV. A custom experimental apparatus based on in-beam silicon detectors has been used, and a Monte Carlo simulation in GEANT4 has been employed to characterize the setup and calculate detectors efficiency. The results evidenced the presence of an overestimation in the interval between 9 and 18 keV and the new data may be used to decrease the uncertainty of 235U(n,f) cross section in the keV region.
Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurden die bei den Kalttests der supraleitenden 360 MHz CH-Prototypkavität gewonnenen Messergebnisse sowie das Prinzip der Hochfrequenzmessung an supraleitenden Resonatoren vorgestellt. Zudem wurde bei dem Aufbau eines eigens für diese Messungen optimierten horizontalen Kryostaten mitgearbeitet. Die wesentlichen Elemente des Kryostaten wurden dargestellt und das Kaltfahren des gesamten Kryosystems erläutert. Das am IAP erarbeitete Tuningkonzept, bei dem ein langsamer, kettenbetriebener Tuner für den Ausgleich statischer Frequenzänderungen und zusätzlich drei Piezotuner zur Kompensation schneller Frequenzschwankungen eingesetzt werden, konnte aufgrund der zu groÿen Schwankungen der Resonanzfrequenz, die durch die stetige Befüllung des Kryostaten mit Helium hervorgerufen wurde, nur bedingt getestet werden. Dennoch konnte gezeigt werden, dass der Piezotuner die Frequenz der Kavität für kurze Zeit konstant hält und der langsame, mechanische Tuner einen Frequenzhub von 400 kHz erreichen kann. Für weitere Kalttests der CH-Struktur im horizontalen Kryostaten werden zur Zeit sowohl das Regelsystem für die schnellen Piezotuner als auch die Motorsteuerung des mechanischen Tuners optimiert.
In einem weiteren Arbeitsschritt wurden mit Hilfe der Simulationssoftware ANSYS Rechnungen zur Geometrieoptimierung des neuen dynamischen Balguners für zukünftige supraleitende CH-Strukturen durchgeführt. Das Hauptaugenmerk der Optimierung lag hierbei auf der Reduktion der auftretenden Materialspannungen bei einem vorgesehenen Hub von ca. ± mm, der durch eine äuÿere Belastung hervorgerufen wird. Dabei wurden verschiedene geometrische Gröÿen variiert und die optimalen Parameter gefunden. Zudem wurde eine Modalanalyse durchgeführt, um zu verhindern, dass die mechanischen Eigenfrequenzen des Balgtuners in den Betriebsbereich des Piezotuners, der letztlich für den Antrieb der dynamischen Balgtuner vorgesehen ist, fallen. Die nach sämtlichen Simulationsschritten berechnete und final vorgesehene Tunergeometrie und deren Parameter, die bezüglich des auftretenden von-Mises-Stresses optimiert wurden, sind in Abbildung bzw. Tabelle 9.1 dargestellt.
Desweiteren wurden mit Hilfe des Simulationsprogramms CST MicroWave Studio Untersuchungen zu Multipacting durchgeführt. Aufgrund der problematischen Spannungswerte im oberen Gap des Tuners müssen in weiteren Arbeitsschritten zusätzliche Simulationsrechnungen durchgeführt werden, um die Gefahr von Multipacting zu verhindern. Um die strukturmechanischen Simulationsergebnisse und deren Genauigkeit zu validieren, wurde zu Testzwecken ein Balgtunerprototyp bestehend aus eineinhalb Zellen von der Firma RI in Bergisch Gladbach gefertigt. Messungen der maximalen Auslenkung zeigten zwischen simulierten und gemessenen Werten eine Diskrepanz von einem Faktor von ungefähr 3.
Für weitere Testzwecke soll ein weiterer Balgtunerprototyp bestehend aus 6 Zellen nach den simulierten Parametern angefertigt und später sowohl bei Raumtemperatur als auch unter kryogenen Bedingungen auf dessen Auslenkung getestet werden.
The superconducting CH-structure (Crossbar-H-mode) is a multi-cell drift tube cavity for the low and medium energy range operated in the H21-mode, which has been developed at the Institute for Applied Physics (IAP) of Frankfurt University. With respect to different high power applications two types of superconducting CH-structures (f = 325 MHz, β = 0.16, seven cells and f = 217 MHz, β = 0.059, 15 cells) are presently under construction and accordingly under development. The structural mechanical simulation is a very important aspect of the cavity design. Furthermore, several simulations with ANSYS Workbench have been performed to predict the deformation of the cavity walls due to the cavity cool-down, pressure effects and mechanical vibrations. To readjust the fast frequency changes in consequence of the cavity shape deformation, a new concept for the dynamic frequency tuning has been investigated, including a novel type of bellow-tuner.
We present a relativistic Shakhov-type generalization of the Anderson-Witting relaxation time model for the Boltzmann collision integral to modify the ratio of momentum diffusivity to thermal diffusivity. This is achieved by modifying the path on which the single particle distribution function fk approaches local equilibrium f0k by constructing an intermediate Shakhov-type distribution fSk similar to the 14-moment approximation of Israel and Stewart. We illustrate the effectiveness of this model in case of the Bjorken expansion of an ideal gas of massive particles and the damping of longitudinal waves through an ultrarelativistic ideal gas.
The Monte Carlo parton string model for multiparticle production in hadron-hadron, hadron-nucleus, and nucleus-nucleus collisions at high energies is described. An adequate choice of the parameters in the model gives the possibility of recovering the main results of the dual parton model, with the advantage of treating both hadron and nuclear interactions on the same footing, reducing them to interactions between partons. Also the possibility of considering both soft and hard parton interactions is introduced.
Die Schwerpunkte dieser Arbeit sind elektrische, stationäre und zeitaufgelöste Transportmessungen an EuB6 sowie die Weiterentwicklung von Messmethoden und Analyseverfahren der Fluktuationsspektroskopie. Durch die Verwendung von
modernen Computern und Datenerfassungskarten konnten die Messmethoden effektiver eingesetzt werden.
Die ersten beiden Kapitel stellen die Grundlagen dar, die für diese Arbeit von Bedeutung sind. Der erste Teil dieser Arbeit wurde der Weiterentwicklung der bereits bekannten Messmethoden unter Verwendung einer schnellen Datenerfassungskarte gewidmet. Im Gegensatz zur Verwendung eines Signalanalysators bietet die Karte die Möglichkeit, auf die Rohdaten im Zeitraum zuzugreifen und sie anschließend mit einer selbst programmierten Software auszuwerten. Die technischen Methoden und der Aufbau der Software wurden in den Kapiteln 3 und 4 vorgestellt. Durch das Ersetzen des Signalanalysators kann bis zu 50% der Messzeit eingespart werden.
Durch die Code-Erweiterung kann bereits nach zwei hintereinander gemessenen Spektren vorläufig bei tiefen Frequenzen ausgewertet und somit frühzeitig entschieden werden, ob eine längere Messzeit aussichtsreich ist. Außerdem wird durch Verwendung der Code-Erweiterung eine sehr viel höhere Spektrendichte (Anzahl von Messpunkten) erreicht. Da im Gegensatz zum Signalanalysator alle gemessenen Spektren gespeichert werden, können in jeder Messung die Spektren auf ihre Korrelation (Korrelationskoeffizient und Zweites Spektrum) hin untersucht werden, ohne zusätzliche Messzeit zu benötigen.
Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit den elektrischen Transporteigenschaften von EuB6 und dem Verständnis der Kopplung zwischen Ladungs- und magnetischen Freiheitsgraden. Mittels Widerstands- und nichtlinearer Transportmessungen sowie Fluktuationsspektroskopie wurden Hypothesen von anderen Wissenschaftlern systematisch verifiziert, sowie neue, weiterführende Erkenntnisse gewonnen.
Direkte experimentelle Hinweise für die Phasenseparation sowie das Auftreten von Perkolation aus Transportmessungen fehlten bisher. In dieser Arbeit wurden daher systematisch die elektrischen Transportseigenschaften des Systems in Abhängigkeit von der Temperatur und vom Magnetfeld untersucht. Mittels Fluktuationsspektroskopie konnte erstmals ein direkter Hinweis auf perkolatives Verhalten in den Transporteigenschaften beobachtet werden. Ein starkes nichtlineares Transportsignal (dritter harmonischer Widerstand, DHW) im Bereich von TMI und TC ist eine Signatur einer räumlich inhomogenen Stromverteilung auf der Mikroskala und ein weiterer deutlicher Hinweis auf magnetisch induzierte elektronische Phasenseparation. Insbesondere tritt nichtlinearer Transport bei H = 0 im FM Bereich auf und kann im PM-Bereich bei T > TMI durch externe Magnetfelder induziert werden.
Die Theorie der Quantenelektrodynamik (QED) starker Felder sagt vorher, dass sich unter dem Einfluss sehr starker elektromagnetischer Felder der Vakuumzustand verändert. Überschreitet das äußere (im einfachsten Fall elektrostatische) Feld eine gewisse kritische Stärke, dann kommt es zur spontanen Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren und im Gefolge zur Ausbildung eines geladenen Vakuums. Charakteristisch dafür sind gebundene Elektronenzustände mit einer Bindungsenergie von mehr als der doppelten Ruhenergie. Dieser Effekt wurde bisher meist für sphärisch symmetrische Systeme untersucht, insbesondere für das Coulombpotential eines schweren Kerns. In der vorliegenden Arbeit wird erkundet, wie sich das überkritische Phänomen beim Übergang von sphärischer zu zylindrischer Geometrie verhält. Dazu werden die Lösungen der Dirac-Gleichung für Elektronen im elektrostatischen Potential eines langen dünnen geladenen Zylinders ("geladener String") berechnen und darauf aufbauend das überkritische Phänomen untersucht. Da das logarithmische Potential eines unendlich langen Strings unbegrenzt anwächst, sollten alle Elektronzustände überkritisch sein (Möglichkeit des Tunnelns durch den Teilchen-Antiteilchen-Gap). Die Zentralladung sollte sich dann mit einer entgegengesetzt geladenen Hülle aus Vakuumelektronen umgeben und damit neutralisieren. Um diese Phänomene quantitativ zu beschreiben untersuchen wir die Lösungen der Poisson-Gleichung und der der Dirac-Gleichung in Zylindersymmetrie. Zunächst wird eine Reihenentwicklung für das elektrostatische Potential in der Mittelebene eines homogen geladenen Zylinders von endlicher Länge und endlichem Radius hergeleitet. Anschließend benutzen wir den Tetraden- (Vierbein-) Formalismus zur Separation der Dirac-Gleichung in Zylinderkoordinaten. Die resultierende entkoppelte radiale Dirac-Gleichung wird in eine Schrödinger-artige Form transformiert. Die gebundenen Zustände werden mit der Methode der uniformen Approximation, einer Variante der WKB-Näherung, berechnet und ihre Abhängigkeit von den Parametern Stringlänge, Stringradius und Potentialstärke wird studiert. Die Näherungsmethode wird auch benutzt, um den überkritischen Fall zu untersuchen, bei dem sich die gebundenen Zustände in Resonanzen im Antiteilchen-Kontinuum verwandeln. Der zugehörige Tunnelprozess wird studiert und die Resonanz-Lebensdauer abgeschätzt. Schließlich wird das Problem der Vakuumladung und Selbstabschirmung angegangen. Die Vakuumladung wird durch Aufsummation der Ladungsdichten aller überkritischen (quasi-)gebundenen Zustände berechnet. Die Vakuumladung tritt als Quellterm in der Poisson-Gleichung für das elektrostatische Potential auf, welches wiederum die Wellenfunktionen bestimmt. Auf die volle selbstkonsistente Lösung dieses Problems wird verzichtet. Wir zeigen jedoch dass die Vakuumladung wie erwartet gross genug ist, um eine Totalabschirmung des geladenen Strings zu bewirken.
The thermodynamic properties of the interacting particle–antiparticle boson system at high temperatures and densities were investigated within the framework of scalar and thermodynamic mean-field models. We assume isospin (charge) density conservation in the system. The equations of state and thermodynamic functions are determined after solving the self-consistent equations. We study the relationship between attractive and repulsive forces in the system and the influence of these interactions on the thermodynamic properties of the bosonic system, especially on the development of the Bose–Einstein condensate. It is shown that under “weak” attraction, the boson system has a phase transition of the second order, which occurs every time the dependence of the particle density crosses the critical curve or even touches it. It was found that with a “strong” attractive interaction, the system forms a Bose condensate during a phase transition of the first order, and, despite the finite value of the isospin density, these condensate states are characterized by a zero chemical potential. That is, such condensate states cannot be described by the grand canonical ensemble since the chemical potential is involved in the conditions of condensate formation, so it cannot be a free variable when the system is in the condensate phase.
We study the effects of strict conservation laws and the problem of negative contributions to final momentum distribution during the freeze out through 3-dimensional hypersurfaces with space-like normal. We study some suggested solutions for this problem, and demonstrate it on one example. PACS: 24.10.Nz, 25.75.-q
In fluid dynamical models the freeze out of particles across a three dimensional space-time hypersurface is discussed. The calculation of final momentum distribution of emitted particles is described for freeze out surfaces, with both space-like and time-like normals, taking into account conservation laws across the freeze out discontinuity.
We present, in the framework of the interacting hadron resonance gas, an evaluation of thermodynamical quantities. The interaction is modelled via a correction for the finite size of the hadrons. We investigate the sensitivity of the model calculations on the radius of the hadrons, which is a parameter of the model. Our calculations for thermodynamical quantities as energy and entropy densities and pressure are confronted with predictions using the lattice Quantum Chromodynamics (QCD) formalism.
Transverse momenta and rapidities of Lambda 's produced in central nucleus-nucleus collisions at 4.5 GeV/c·u (C-C,...,O-Pb) were studied and compared with those from inelastic He-Li interactions at the same incident momentum. Polarization of the Lambda hyperons was found to be consistent with zero ( alpha P=-0.06=0.11 for Lambda 's from central collisions). An upper limit of the Lambda -bar / Lambda production ratio was estimated to be less than 4.5 x 10-3. The experiment was performed in a triggered streamer chamber.
Analysis of Lambda and associative pion production in relativistic nucleus-nucleus collisions
(1984)
A detailed study of pion production in inelastic and central nucleus-nucleus collisions was carried out using a 2 m streamer spectrometer. Nuclear targets mounted inside the streamer chamber were exposed to nuclear beams of 4.5 GeV/c/nucleon momentum. A systematic study of the influence of the central trigger on observed data is performed. The data on multiplicities, rapidities, transverse momenta, and emission angles of negative pions are presented for various pairs of colliding nuclei. Intercorrelations between various characteristics are studied and discussed. The results are compared with predictions of some theoretical models. It is shown that the main features of the pion production in nuclear collisions can be satisfactorily described by a model assuming independent nucleon-nucleon collisions with subsequent cascading process. However, the observed correlation between Lambda and pion characteristics seems to be unexplained by this picture.
The transverse mass mt distributions for deuterons and protons are measured in Pb+Pb reactions near midrapidity and in the range 0<mt–m<1.0 (1.5) GeV/c2 for minimum bias collisions at 158A GeV and for central collisions at 40 and 80 A GeV beam energies. The rapidity density dn/dy, inverse slope parameter T and mean transverse mass <mt> derived from mt distributions as well as the coalescence parameter B2 are studied as a function of the incident energy and the collision centrality. The deuteron mt spectra are significantly harder than those of protons, especially in central collisions. The coalescence factor B2 shows three systematic trends. First, it decreases strongly with increasing centrality reflecting an enlargement of the deuteron coalescence volume in central Pb+Pb collisions. Second, it increases with mt. Finally, B2 shows an increase with decreasing incident beam energy even within the SPS energy range. The results are discussed and compared to the predictions of models that include the collective expansion of the source created in Pb+Pb collisions.
Results are presented on event-by-event fluctuations in transverse momentum of charged particles, produced at forward rapidities in p+p, C+C, Si+Si and Pb+Pb collisions at 158 AGeV. Three different characteristics are discussed: the average transverse momentum of the event, the Phi_pT fluctuation measure and two-particle transverse momentum correlations. In the kinematic region explored, the dynamical fluctuations are found to be small. However, a significant system size dependence of Phi_pT is observed, with the largest value measured in peripheral Pb+Pb interactions. The data are compared with predictions of several models. PACS numbers: 14.20.Jn, 13.75.Cs, 12.39.-x
Production of Lambda and Antilambda hyperons was measured in central Pb-Pb collisions at 40, 80, and 158 A GeV beam energy on a fixed target. Transverse mass spectra and rapidity distributions are given for all three energies. The Lambda/pi ratio at mid-rapidity and in full phase space shows a pronounced maximum between the highest AGS and 40 A GeV SPS energies, whereas the anti-Lambda}/pi ratio exhibits a monotonic increase. PACS numbers: 25.75.-q
The present study focuses on the beam line optimization from the heavy-ion synchrotron SIS18 to the HADES experiment. BOBYQA (Bound Optimization BY Quadratic Approximation) solves bound constrained optimization problems without using derivatives of the objective function. The Bayesian optimization is another strategy for global optimization of costly, noisy functions without using derivatives. A python programming interface to MADX allow the use of the python implementation of BOBYQA and Bayesian method. This gave the possibility to use tracking simulation with MADX to determine the loss budget for each lattice setting during the optimization and compare both optimization methods.
Due to the massive parallel operation modes at GSI accelerators, a lot of accelerator setup and re-adjustment has to be made by operators during a beam time. This is typically done manually using potentiometers and is very time-consuming. With the FAIR project the complexity of the accelerator facility increases further and for efficiency reasons it is recommended to establish a high level of automation for future operation. Modern Accelerator Control Systems allow a fast access to both, accelerator settings and beam diagnostics data. This provides the opportunity to implement algorithms for automated adjustment of e.g. magnet settings to maximize transmission and optimize required beam parameters. The fast-switching magnets in GSI-beamlines are an optimal basis for an automatic exploration of the parameter-space. The optimization of the parameters for the SIS18 multi-turn-injection using a genetic algorithm has already been simulated*. The first results of our automatized online parameter optimization at the CRYRING@ESR injector are presented here.
Mit der Bereitstellung des 208Pb-Strahls durch das CERN-SPS können seit Herbst 1994 Kollisionen schwerster Kerne bei den höchsten zur Zeit in Schwerionenbeschleunigern erreichten Einschußenergien untersucht werden.
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der raumzeitlichen Entwicklung von zentralen Pb-Pb-Kollisionen bei 158 GeV/Nukleon. Diese Untersuchung wurde im Rahmen des Experimentes NA49 durchgefüuhrt und stützt sich auf die Analyse von Bose-Einstein-Korrelationen identischer Pionen. Die Auswertung von rund 40000 zentralen Ereignissen, die in zwei verschiedenen Magnetfeldkonfigurationen mit der zweiten Vertex-Spurendriftkammer des NA49-Experimentes aufgezeichnet wurden, erlaubt hierbei eine annähernd vollständige Untersuchung des pionischen Phasenraumes zwischen zentraler Rapidität und der Projektilhemisphäre.
Auf der experimentellen Seite stellt der Nachweis von mehreren hundert geladenen Teilchen pro Ereignis eine große Herausforderung dar. Daher werden in dieser Arbeit die Optimierung von Spurendriftkammern sowie die verwendeten Analyseverfahren und die erreichte experimentelle Auflösung ausführlich diskutiert. Dabei zeigt sich, daß der systematische Einfluß der erreichten Impuls- und Zweispurauflösung auf die Bestimmung der Bose-Einstein-Observablen vernachlässigbar ist.
Die Messung von Korrelationen ungleich geladener Teilchen bestätigt die Beobachtungen früherer Untersuchungen, wonach die Gamowfunktion als Coulombkorrektur der Bose-Einstein-Korrelationsfunktionen in Schwerionenexperimenten nicht geeignet ist. Ein Vergleich mit einem Modell zeigt, daß diese Messungen konsistent sind mit der Annahme einer endlichen Ausdehnung der Pionenquelle von rund 6 fm. In dieser Arbeitwird zur Korrektur daher eine Parametrisierung der gemessenen Korrelationsstärke ungleich geladener Teilchen benutzt, wodurch die systematischen Unsicherheiten bei der Auswertung der Bose-Einstein-Korrelationsfunktionen erheblich reduziert werden konnten.
Die Auswertung der Bose-Einstein-Korrelationen im Rahmen des Yano-Koonin-Podgoretskii-Formalismus erlaubt eine differentielle Bestimmung der longitudinalen Expansionsgeschwindigkeit. Dabei ergibt sich das Bild eines vornehmlich in longitudinaler Richtung expandierenden Systems, wie es bereits in Schwefel-Kern-Reaktionen bei vergleichbaren Einschußenergien beobachtet wurde. Die Transversalimpulsabhängigkeit der transversalen Radiusparameter ist moderat und verträglich mit einer mäßigen radialen Expansion, deren quantitative Bestätigung allerdings im Rahmen von Modellrechnungen erfolgen muß.
Im Rahmen eines einfachen hydrodynamischen Modells kann die Lebensdauer des Systems zu 7-9 fm/c bei schwacher Abhängigkeit von der Rapidität bestimmt werden. Die Zeitdauer der Pionenemission beträgt etwa 3-4 fm/c und wird damit erstmals in ultrarelativistischen Schwerionenreaktionen als signifikant von Null verschieden beobachtet.
Die Auswertung der Korrelationsfunktion unter Verwendung der Bertsch-Pratt-Parametrisierung liefert Ergebnisse, die mit denen der Yano-Koonin-Podgoretskii-Parametrisierung konsistent sind. Dasselbe gilt für den Vergleich der Analyse positiv und negativ geladener Teilchenpaare sowie unter Verwendung verschiedener Bezugssysteme.
Ein Vergleich mit den Ergebnissen von Schwefel-Kern-Reaktionen deutet an, daß die in Pb-Pb ermittelten Ausfriervolumina nicht mit dem einfachen Bild eines Ausfrierens bei konstanter Teilchendichte vereinbar sind. Vielmehr scheint das Pb-Pb-System bei niedrigerer Dichte auszufrieren. Dies läßt darauf schließen, daß die Ausfrierdichte über die mittlere freie Weglänge mit der Größe des Systems zum Zeitpunkt der letzten Wechselwirkung verknüpft ist.
Dielectrons are unique observables in ultra-relativistic heavy-ion collisions. Thanks to their penetrating nature, they carry information from all stages of the collision and can provide knowledge about pre-equilibirium dynamics, QGP temperature and transport coefficients, and chiral symmetry restoration. On the other hand, experimental challenges are enormous because production cross sections are small and the signal of interest is eclipsed by a huge combinatorial and physics background from light- and heavy-flavour hadron decays. In this talk the status of dielectron measurements with ALICE is shown and the perspectives with the recently installed and planned ALICE detector upgrades are discussed.
We report measurements of Xi and Xi-bar hyperon absolute yields as a function of rapidity in 158 GeV/c Pb+Pb collisions. At midrapidity, dN/dy = 2.29 +/- 0.12 for Xi, and 0.52 +/- 0.05 for Xi-bar, leading to the ratio of Xi-bar/Xi = 0.23 +/- 0.03. Inverse slope parameters fitted to the measured transverse mass spectra are of the order of 300 MeV near mid-rapidity. The estimated total yield of Xi particles in Pb+Pb central interactions amounts to 7.4 +/- 1.0 per collision. Comparison to Xi production in properly scaled p+p reactions at the same energy reveals a dramatic enhancement (about one order of magnitude) of Xi production in Pb+Pb central collisions over elementary hadron interactions.
Two-particle correlation functions of negative hadrons over wide phase space, and transverse mass spectra of negative hadrons and deuterons near mid-rapidity have been measured in central Pb+Pb collisions at 158 GeV per nucleon by the NA49 experiment at the CERN SPS. A novel Coulomb correction procedure for the negative two-particle correlations is employed making use of the measured oppositely charged particle correlation. Within an expanding source scenario these results are used to extract the dynamic characteristics of the hadronic source, resolving the ambiguities between the temperature and transverse expansion velocity of the source, that are unavoidable when single and two particle spectra are analysed separately. The source shape, the total duration of the source expansion, the duration of particle emission, the freeze-out temperature and the longitudinal and transverse expansion velocities are deduced.
The directed and elliptic flow of protons and charged pions has been observed from the semi-central collisions of a 158 GeV/nucleon Pb beam with a Pb target. The rapidity and transverse momentum dependence of the flow has been measured. The directed flow of the pions is opposite to that of the protons but both exhibit negative flow at low pt. The elliptic flow of both is fairly independent of rapidity but rises with pt. PACS numbers: 25.75.-q, 25.75.Ld
The two-proton correlation function at midrapidity from Pb+Pb central collisions at 158 AGeV has been measured by the NA49 experiment. The results are compared to model predictions from static thermal Gaussian proton source distributions and transport models RQMD and VENUS. An effective proton source size is determined by minimizing CHI-square/ndf between the correlation functions of the data and those calculated for the Gaussian sources, yielding 3.85 +-0.15(stat.) +0.60-0.25(syst.) fm. Both the RQMD and the VENUS model are consistent with the data within the error in the correlation peak region.
We present first data on event-by-event fluctuations in the average transverse momentum of charged particles produced in Pb+Pb collisions at the CERN SPS. This measurement provides previously unavailable information allowing sensitive tests of microscopic and thermodynamic collision models and to search for fluctuations expected to occur in the vicinity of the predicted QCD phase transition. We find that the observed variance of the event-by-event average transverse momentum is consistent with independent particle production modified by the known two-particle correlations due to quantum statistics and final state interactions and folded with the resolution of the NA49 apparatus. For two specific models of non-statistical fluctuations in transverse momentum limits are derived in terms of fluctuation amplitude. We show that a significant part of the parameter space for a model of isospin fluctuations predicted as a consequence of chiral symmetry restoration in a non-equilibrium scenario is excluded by our measurement.
Net proton and negative hadron spectra for central \PbPb collisions at 158 GeV per nucleon at the CERN SPS were measured and compared to spectra from lighter systems. Net baryon distributions were derived from those of net protons, utilizing model calculations of isospin contributions as well as data and model calculations of strange baryon distributions. Stopping (rapidity shift with respect to the beam) and mean transverse momentum \meanpt of net baryons increase with system size. The rapidity density of negative hadrons scales with the number of participant nucleons for nuclear collisions, whereas their \meanpt is independent of system size. The \meanpt dependence upon particle mass and system size is consistent with larger transverse flow velocity at midrapidity for \PbPb compared to \SS central collisions.
The theory of Raman scattering is extended to include electric-quadrupole radiation. The results obtained are used to compute the elastic and Raman scattering cross sections of heavy deformed nuclei. The dipole and quadrupole resonances are described by a previously developed theory which includes surface vibrations and rotations. The computed cross sections are compared with experimental data for all those nuclei where both absorption and scattering cross sections are available. Some discrepances still exist in certain details; however, the over-all agreement between theory and experiment is very good.
Eine möglichst realistische Abschätzung von Strahlenschäden ist von entscheidender Bedeutung im Strahlenschutz und für die Strahlentherapie. Die primären Strahlenschäden an der DNS werden heute mit Monte-Carlo-Codes berechnet. Diese Codes benötigen möglichst genaue Fragmentierungsquerschnitte verschiedenster biomolekularer Systeme als Eingangsparameter. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Experiment aufgebaut, welches die Bestimmung der Fragmentierungsquerschnitte von Biomolekülen ermöglicht. Die einzelnen Baugruppen des Aufbaus wurden vor dem Beginn des Experimentes bezüglich ihrer Eigenschaften, die die Genauigkeit der Messergebnisse beeinflussen können, charakterisiert. Die Resultate dieser Experimente werden als Eingangsdaten für die Berechnung von primären strahleninduzierten Schäden in der DNS mit Hilfe von Monte-Carlo-Codes eingesetzt.
Eine besondere Herausforderung stellte die Präparation eines Überschallgasstrahls für biomolekulare Substanzen dar. Für die Präparation müssen die Targetsubstanzen zunächst in die Gasphase überführt werden. Im Falle von Biomolekülen ist diese Überführung auf Grund ihrer niedrigen Dampfdrücke bei Raumtemperatur und chemischen Reaktivität mit technischen Problemen verbunden. Die Probleme wurden mittels einer speziellen Konstruktion der Präparationseinrichtung, welche eine direkte Einleitung der Probensubstanzen in die vom Trägergas durchströmte Mischkammer ermöglicht, gelöst. Für die Genauigkeit der gemessenen Fragmentierungsquerschnitte spielen mehrere Faktoren eine Rolle. Neben dem Bewegungsprofil des Überschallgasstrahls, den kinetischen Energien der Fragmentionen und den ionenoptischen Eigenschaften des Flugzeitspektrometers beeinflusst die geometrische Beschaffenheit der Detektionszone maßgeblich die Genauigkeit des Experimentes. Die Position und Ausdehnung des sichtbaren Volumens sind nicht nur durch den Überlappungsbereich zwischen dem Elektronen- und dem Überschallgasstrahl bestimmt, sondern hängen auch von der kinetischen Energie der Fragmente ab. Für dessen Ermittlung wurden daher auch die Trajektorien der Fragmente simuliert. Bei den Experimenten an der PTB-Apparatur ist die frei wählbare Zeitdifferenz zwischen dem Auslösen eines Elektronenpulses und dem Absaugen der Fragmentionen ein wichtiger Messparameter. Ihr Einfluss auf die Messergebnisse wurde ebenfalls neben der Nachweiswahrscheinlichkeit des verwendeten Ionendetektors untersucht. Die Kalibrierung der Flugzeitspektren, d. h. die Umwandlung der Flugzeitspektren in Massenspektren erfolgte anhand der bekannten Flugzeitspektren von Edelgasen und Wasserstoff.
Nach der Charakterisierung der Einflussfaktoren und Kalibrierung der Flugzeitspektren wurden die energieabhängigen Fragmentierungsquerschnitte für Elektronenstoß von mehreren organischen Molekülen, darunter die von Modellmolekülen für die DNS-Bausteine gemessen. Die Flugzeitspektren von THF wurden mit der PTB-Apparatur für einige kinetische Energien der Elektronen in Abhängigkeit von der Zeitdifferenz zwischen dem Auslösen des Elektronenpulses und dem Starten der Analyse durchgeführt. Messungen von Pyrimidin wurden sowohl an der PTB-Apparatur als auch mit COLTRIMS durchgeführt. Die mit COLTRIMS gewonnenen Ergebnisse liefern wichtige Zusatzinformationen über die Fragmentierungsprozesse. COLTRIMS ermöglicht die Messung der zeitlichen Korrelationen zwischen den auftretenden Fragmentionen und damit tiefere Einblicke in die bei der Entstehung der Fragmente beteiligten Reaktionskanäle. Der Vorteil der PTB-Apparatur besteht darin, dass die relativen Auftrittswahrscheinlichkeiten aller Fragmentionen genauer bestimmt werden können.
The ALICE Time Projection Chamber (TPC) is the main tracking detector of ALICE which was designed to perform well at multiplicities of up to 20000 charged primary and secondary tracks emerging from Pb-Pb collisions. Successful operation of such a large and complex detector requires an elaborate calibration and commissioning. The main goal for the calibration procedures is to provide the information needed for the offline software for the reconstruction of the particle tracks with sufficient precision so that the design performance can be achieved. For a precise reconstruction of particle tracks in the TPC, the calibration of the drift velocity, which in conjunction with the drift time provides the z position of the traversing particles, is essential. In this thesis, an online method for the calibration of the drift velocity is presented. It uses the TPC Laser System which generates 336 straight tracks within the active volume of the TPC. A subset of these tracks, showing sufficiently small distortions, is used in the analysis. The resulting time dependent drift velocity correction parameters are entered into a database and provide start values for the offline reconstruction chain of ALICE. Even though no particle tracking information is used, the online drift velocity calibration is in agreement with the full offline calibration including tracking on the level of about 2 x 10 exp (-4). In chapter 2, a short overview of the ALICE detector, as well as the data taking model of the ALICE, is given. In chapter 3, the TPC detector is described in detail. Lastly in chapter 4, the online drift velocity calibration method is presented, together with a detailed description of the TPC laser system.
ALICE is the dedicated heavy-ion experiment at the CERN Large Hadron Collider (LHC). Its main tracking and particle-identification detector is a large volume Time Projection Chamber (TPC). The TPC has been designed to perform well in the high-track density environment created in high-energy heavy-ion collisions. In this proceeding, we describe the track reconstruction procedure in ALICE. In particular, we focus on the two main challenges that were faced during the Run 2 data-taking period (2015–2018) of the LHC, which were the baseline fluctuations and the local space charge distortions in the TPC. We present the corresponding solutions in detail and describe the software tools that allowed us to circumvent these challenges.
Continued advances in quantum technologies rely on producing nanometer-scale wires. Although several state-of-the-art nanolithographic technologies and bottom-up synthesis processes have been used to engineer these wires, critical challenges remain in growing uniform atomic-scale crystalline wires and constructing their network structures. Here, we discover a simple method to fabricate atomic-scale wires with various arrangements, including stripes, X-junctions, Y-junctions, and nanorings. Single-crystalline atomic-scale wires of a Mott insulator, whose bandgap is comparable to those of wide-gap semiconductors, are spontaneously grown on graphite substrates by pulsed-laser deposition. These wires are one unit cell thick and have an exact width of two and four unit cells (1.4 and 2.8 nm) and lengths up to a few micrometers. We show that the nonequilibrium reaction-diffusion processes may play an essential role in atomic pattern formation. Our findings offer a previously unknown perspective on the nonequilibrium self-organization phenomena on an atomic scale, paving a unique way for the quantum architecture of nano-network.
Quasifree one-proton knockout reactions have been employed in inverse kinematics for a systematic study of the structure of stable and exotic oxygen isotopes at the R3B/LAND setup with incident beam energies in the range of 300–450 MeV/u. The oxygen isotopic chain offers a large variation of separation energies that allows for a quantitative understanding of single-particle strength with changing isospin asymmetry. Quasifree knockout reactions provide a complementary approach to intermediate-energy one-nucleon removal reactions. Inclusive cross sections for quasifree knockout reactions of the type AO(p,2p)A−1N have been determined and compared to calculations based on the eikonal reaction theory. The reduction factors for the single-particle strength with respect to the independent-particle model were obtained and compared to state-of-the-art ab initio predictions. The results do not show any significant dependence on proton-neutron asymmetry.
Mit immer komplexeren Experimenten erhöhen sich die Anforderungen an die Detektoren und diese Arbeit ist ein neuer Beitrag für eine weiterentwickelte technologische Lösung. In der vorliegenden Dissertation wurde eine nichtinvasive optische Strahldiagnose für intensive Ionenstrahlen in starken Magnetfeldern entwickelt. Das optische System besteht aus miniaturisierten Einplatinen CMOS-Kameras. Sowohl die hardwareseitige Entwicklung als auch die softwareseitige Implementierung der Algorithmen zur Kamerakalibrierung, Netzwerksteuerung und Strahlrekonstruktion wurden in dieser Arbeit entwickelt. Die Leistungsstärke dieses neuartigen Diagnosesystems wurde dann experimentell an einem Teststand demonstriert. Dabei wurde das optische System ins Vakuumstrahlrohr eingebettet. Ein Wasserstoffionenstrahl mit einer Energie von 7keV bis 10keV und einem Strahlstrom bis 1mA wurde in einer Stickstoffatmosphäre bis 1E-5 mbar untersucht. Dabei wurde der Ionenstrahl entlang des Strahlrohres des Toroidsegmentmagnetes mit einer Bogenlänge von 680mm mit einem xy-Kamerasystem beobachtet.
Der Strahlschwerpunkt und die Breite des Strahlprofils wurden im Ortsraum rekonstruiert. Die analytisch berechnete und in anderen Arbeiten simulierte Gyrationsbewegung sowie der RxB-Drift des Strahlschwerpunktes konnte experimentell bestätigt werden.
An der Goethe Universität in Frankfurt wird ein Konzept für ein magnetostatischen Hochstromspeicherring für Protonen- und Ionenstrahlen entwickelt und untersucht. Zur Zeit stehen dem Experiment zwei Toroidsegmente und eine Volumenionenquelle zur Verfügung. An diesem Aufbau werden Experimente mit dem Ziel die Strahldynamik zu untersuchen und die Strahldiagnose in toroidalen Magnetfeldern zu entwickeln, durchgeführt [Joshi] Für Experimente ist eine Strahldiagnose entlang der starken toroidalen Magnetfelder bis maximal 0, 6T nötig. Dabei sind die zur Verfügung stehenden Strahldiagnoseverfahren zum Einen ein Faraday-Cup und zum Anderen ein entlang des kompletten Aufbaus beweglicher Szintillatordetektor. Der Szintillatordetektor, besteht aus einem Phosphorschirm und einer Kamera, die hinter dem Schirm angebracht ist. [Nonn] Aufgrund der geschlossenen Ringgeometrie und dem Anspruch auf eine hohe Flexibilität des Detektors ist die Konstruktion eines neuen von starken Magnetfeldern unbeeinflussbaren und sehr kompakten Detektors notwendig. Ziel dieser Arbeit ist es, ein allgemeines Strahldiagnoseverfahren zu entwickeln.
Nichtinvasive Detektoren für ortsaufgelöste Strahlprofilmessungen gewinnen mit zunehmenden Strahlströmen und -energien immer mehr an Bedeutung. An der Universität Frankfurt im Institut für Angewandte Physik (IAP) wird ein “Figure Eight”-förmiger magnetostatischer Speichering mit Stellarator-Konfiguration (F8SR) entwickelt. Einige Aspekte der Strahldynamik in einem solchen Ring können mit einem experimentellen Aufbau am IAP untersucht werden. Die Herausforderung bei der Entwicklung eines Detektors an einem (F8SR) liegt auf der einen Seite darin den Strahl nichtinvasiv zu detektieren, und andererseits müssen magnetisch unempfindliche Komponenten für den Detektor ausgewählt werden. Dabei sollte der Detektor so flexibel sein, dass der Strahl entlang der Flugbahn transversal gemessen werden kann. In dieser Arbeit geht es um einen Detektor mit radial um den Strahl angeordneten Photodioden, mit deren Hilfe die strahlinduzierte Fluoreszenz detektiert wird und mit einem geeigneten Rekonstruktionsverfahren, Strahlposition und den Strahldurchmesser ermittelt werden kann. Die Messungen werden mit einem weiteren schon erprobten Detektor - einem Szintillationsschirm verglichen.
We report on new results on the infrared behavior of the three-gluon vertex in quenched Quantum Chromodynamics, obtained from large-volume lattice simulations. The main focus of our study is the appearance of the characteristic infrared feature known as ‘zero crossing’, the origin of which is intimately connected with the nonperturbative masslessness of the Faddeev–Popov ghost. The appearance of this effect is clearly visible in one of the two kinematic configurations analyzed, and its theoretical origin is discussed in the framework of Schwinger–Dyson equations. The effective coupling in the momentum subtraction scheme that corresponds to the three-gluon vertex is constructed, revealing the vanishing of the effective interaction at the exact location of the zero crossing.
This letter reports on how the Wilson flow technique can efficaciously kill the short-distance quantum fluctuations of 2- and 3-gluon Green functions, remove the ΛQCD scale and destroy the transition from the confining non-perturbative to the asymptotically-free perturbative sector. After the Wilson flow, the behavior of the Green functions with momenta can be described in terms of the quasi-classical instanton background. The same behavior also occurs, before the Wilson flow, at low-momenta. This last result permits applications as, for instance, the detection of instanton phenomenological properties or a determination of the lattice spacing only from the gauge sector of the theory.
The magnetic dipole scattering of neutrinos by the electrostatic potentials of single atoms as well as crystals is investigated. It is shown that scattering by a rigid cubic lattice can amplify the neutrino-atom cross section by a factor of N1/3, N being the number of scatterers. However, comparing the results with typical weak-interaction cross sections, the effect seems to be not observable in experiment.
An alternative theoretical description of axial electron channeling in the multi-GeV region has been developed. We solve a kinetic equation to evaluate an electron distribution function in axially oriented single crystals. Based on the single-string model, the required matrix elements for radiation and scattering by lattice vibrations are calculated employing solutions of the Dirac equation in cylindrical coordinates. Results obtained for 150-GeV electrons propagating along the <110> axis of germanium are in good agreement with experimental observations.
In the next years the Facility for Antiproton and Ion Research FAIR will be constructed at the GSI Helmholtzzentrum fur Schwerionenforschung in Darmstadt, Germany. This new accelerator complex will allow for unprecedented and pathbreaking research in hadronic, nuclear, and atomic physics as well as in applied sciences. This manuscript will discuss some of these research opportunities, with a focus on few-body physics.
While the existence of a strongly interacting state of matter, known as “quark-gluon plasma” (QGP), has been established in heavy ion collision experiments in the past decade, the task remains to map out the transition from the hadronic matter to the QGP. This is done by measuring the dependence of key observables (such as particle suppression and elliptic flow) on the collision energy of the heavy ions. This procedure, known as "beam energy scan", has been most recently performed at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC).
Utilizing a Boltzmann+hydrodynamics hybrid model, we study the collision energy dependence of initial state eccentricities and the final state elliptic and triangular flow. This approach is well suited to investigate the relative importance of hydrodynamics and hadron transport at different collision energies.
The experimental cold-fission yields for the system 233U(nth, f) are analyzed as function of the effective total excitation energy (TXE). The nuclear level density effect is taken into account at higher TXE, in order to benefit by the lower experimental data uncertainty as well as to avoid the quantitative account of the level densities close to fragment ground states. In this way the odd-even staggering which appears in the yields extrapolated at zero excitation energy by using the level densities, vanishes. We conclude that the cold nuclear fragmentation theory including the dynamical model describes well the experimental data.
Ulrich Gerhardt : Nachruf
(2018)
Prof. (em.) Dr. Bruno Lüthi
(2021)
i-TED is an innovative detection system which exploits Compton imaging techniques to achieve a superior signal-to-background ratio in (n,γ) cross-section measurements using time-of-flight technique. This work presents the first experimental validation of the i-TED apparatus for high-resolution time-of-flight experiments and demonstrates for the first time the concept proposed for background rejection. To this aim both 197Au(n,γ) and 56Fe(n,γ) reactions were measured at CERN n\_TOF using an i-TED demonstrator based on only three position-sensitive detectors. Two \cds detectors were also used to benchmark the performance of i-TED. The i-TED prototype built for this study shows a factor of ∼3 higher detection sensitivity than state-of-the-art \cds detectors in the ∼10~keV neutron energy range of astrophysical interest. This paper explores also the perspectives of further enhancement in performance attainable with the final i-TED array consisting of twenty position-sensitive detectors and new analysis methodologies based on Machine-Learning techniques.
233U is the fissile nuclei in the Th-U fuel cycle with a particularily small neutron capture cross setion which is on average about one order of magnitude lower than its fission cross section. Hence, the measurement of the 233U(n, γ) cross section relies on a method to accurately distinguish between capture and fission γ-rays. A measurement of the 233U α-ratio has been performed at the n_TOF facility at CERN using a so-called fission tagging setup, coupling n_TOF 's Total Absorption Calorimeter with a novel fission chamber to tag the fission γ-rays. The experimental setup is described and essential parts of the analysis are discussed. Finally, a preliminary 233U α-ratio is presented.
233U is of key importance among the fissile nuclei in the Th-U fuel cycle. A particularity of 233U is its small neutron capture cross-section, which is on average about one order of magnitude lower than the fission cross-section. The accuracy in the measurement of the 233U capture cross-section depends crucially on an efficient capture-fission discrimination, thus a combined set-up of fission and γ-detectors is needed. A measurement of the 233U capture cross-section and capture-to-fission ratio was performed at the CERN n_TOF facility. The Total Absorption Calorimeter (TAC) of n_TOF was employed as γ-detector coupled with a novel compact ionization chamber as fission detector. A brief description of the experimental set-up will be given, and essential parts of the analysis procedure as well as the preliminary response of the set-up to capture are presented and discussed.
In this thesis we study strongly correlated electron systems within the Density Functional Theory (DFT) in combination with the Dynamical Mean-Field Theory (DMFT).
First, we give an introduction into the theoretical methods and then apply them to study realistic materials. We present results on the hole-doped 122-family of the iron-based superconductors and the transition-metal oxide SrVO3. Our investigations show that a proper treatment of strong electronic correlations is necessary to describe the experimental observations.
Recent density functional theory (DFT) calculations for KFe2As2 have been shown to be insufficient to satisfactorily describe angle-resolved photoemission (ARPES) measurements as well as observed de Haas–van Alphen (dHvA) frequencies. In the present work, we extend DFT calculations based on the full-potential linear augmented plane-wave method by dynamical mean field theory (DFT+DMFT) to include correlation effects beyond the local density approximation. We present results for two sets of reported crystal structures. Our calculations indicate that KFe2As2 is a moderately correlated metal with a mass renormalization factor of the Fe $3{\rm d}$ orbitals between 1.6 and 2.7. Furthermore, the obtained shape and size of the Fermi surface are in good agreement with ARPES measurements and we observe some topological changes with respect to DFT calculations such as the opening of an inner hole cylinder at the Z point. As a result, our calculated dHvA frequencies differ greatly from existing DFT results and qualitatively agree with experimental data. On this basis, we argue that correlation effects are important to understand the -presently under debate- nature of the superconducting state in KFe2As2.
Preface
(2012)
Autophagy is a physiological process for the recycling and degradation of cellular materials. Forming the autophagosome from the phagophore, a cup-shaped double-membrane vesicle, is a critical step in autophagy. The origin of the cup shape of the phagophore is poorly understood. In yeast, fusion of a small number of Atg9-containing vesicles is considered a key step in autophagosome biogenesis, aided by Atg1 complexes (ULK1 in mammals) localized at the preautophagosomal structure (PAS). In particular, the S-shaped Atg17-Atg31-Atg29 subcomplex of Atg1 is critical for phagophore nucleation at the PAS. To study this process, we simulated membrane remodeling processes in the presence and absence of membrane associated Atg17. We show that at least three vesicles need to fuse to induce the phagophore shape, consistent with experimental observations. However, fusion alone is not sufficient. Interactions with 34-nm long, S-shaped Atg17 complexes are required to overcome a substantial kinetic barrier in the transition to the cup-shaped phagophore. Our finding rationalizes the recruitment of Atg17 complexes to the yeast PAS, and their unusual shape. In control simulations without Atg17, with weakly binding Atg17, or with straight instead of S-shaped Atg17, the membrane shape transition did not occur. We confirm the critical role of Atg17-membrane interactions experimentally by showing that mutations of putative membrane interaction sites result in reduction or loss of autophagic activity in yeast. Fusion of a small number of vesicles followed by Atg17-guided membrane shape-remodeling thus emerges as a viable route to phagophore formation.
Development of the timing system for the Bunch-to-Bucket transfer between the FAIR accelerators
(2017)
The FAIR project is aiming at providing high-energy beams of ions of all elements from hydrogen to uranium, antiprotons and rare isotopes with high intensities. The existing accelerator facility of GSI and the future FAIR facility employ a variety of circular accelerators like heavy ion synchrotrons (SIS18 and SIS100) and storage rings (ESR, CRYRING, CR and HESR) for the preparation of secondary beams and experiments. Bunches are required to be transferred into rf buckets among GSI and FAIR ring accelerators for different purposes. Without the proper transfer, the beam will be subject to various beam quality deterioration and even to beam losses. Hence, the proper bunch-to-bucket (B2B) transfer between two rings is of great importance for FAIR and is the topic, which has been investigated in this thesis.
These circular accelerators of GSI and FAIR have different ratios in their circumference. For example, the circumference ratio between SIS100 and SIS18 is an integer and between SIS18 and ESR is close to an integer and between CR and HESR is far away from an integer. The ring accelerators are connected via a complicated system of beam transfer lines, targets for the secondary particle production and the high energy separators mentioned above. For FAIR, not only the primary beams are required to be transferred from one ring to another, but also the secondary beams, e.g. the antiproton or rare isotope beams produced by the antiproton (pbar) target, the fragment separator (FRS) or the superconducting fragment separator (Super-FRS). An important topic for this system of accelerators is the proper transfer of beam between the different circular accelerators. Bunches of one ring must be transferred into buckets of another ring within an upper bound time constraint (e.g. 10 ms for most FAIR use cases) and with an acceptable B2B injection center mismatch +-1 degree for most FAIR use cases). Hence, a flexible FAIR B2B transfer system is required to realize the different complex B2B transfers between the FAIR rings in the future. In the focus of the system development and of this thesis is the transfer from SIS18 to SIS100, which can be tested at GSI on the transfer from SIS18 to ESR and from ESR to CRYRING. The system is based on the existing technical basis at GSI, the low-level radio frequency (LLRF) system and the FAIR control system. It coordinates with the Machine Protection System (MPS), which protects SIS100 and subsequent accelerators and experiments from damage caused by high intensity primary beams in case of malfunctioning. Besides, it indicates the beam status and the actual beam injection time for the beam instrumentation and diagnostics.
The conceptual realization of the FAIR B2B transfer system was introduced in this thesis for the first time. It achieves the most FAIR B2B transfers with a tolerable B2B injection center mismatch (e.g. +-1 degree) and within an upper bound time (e.g. 10 ms). It supports two synchronization methods, the phase shift and frequency beating methods. It is flexible to support the beam transfer between two rings with different ratios in their circumference and several B2B transfers running at the same time, e.g. the B2B transfer from SIS18 to SIS100 and at the same time the B2B transfer from ESR to CRYRING. It is capable to transfer beam of different ion species from one machine cycle to another and to transfer beams between two rings via the FRS, the pbar target and the Super-FRS. It allows various complex bucket filling pattern. In addition, it coordinates with the MPS system, which protects the SIS100 and subsequent accelerators or experiments from beam induced damage.
A list of criteria for the preservation of beam qualities during the rf frequency modulation of the phase shift method was analyzed. As an example the beam reaction on three different rf frequency modulation examples were analyzed for SIS18 beams. According to the beam dynamic analysis, there is a maximum value for the rf frequency modulation. The first derivative of the rf frequency modulation must be continuous and small enough and the second derivative must be small enough.
In addition to the analysis from the viewpoint of beam dynamics, two test setups were built. The first test setup was used to characterize the FAIR timing network – white rabbit network for the B2B transfer. In the second test setup, the firmware of the FAIR B2B transfer system was evaluated, which was running on the soft CPU, LatticeMico32, of the Scalable Control Unit - the FAIR standard Front End Controller. Besides, the boundary conditions of the different trigger scenarios of the SIS18 extraction and SIS100 injection kicker magnets were investigated. Finally, the application of the FAIR B2B transfer system for all FAIR use cases was demonstrated.
The dissertation plays a significant important role for the realization of the FAIR B2B transfer system and the further practical application of the system to all FAIR use cases.
Challenges of FAIR phase 0
(2018)
After two-year's shutdown, the GSI accelerators plus the latest addition of storage ring CRYRING, will be back into operation in 2018 as the FAIR phase 0 with the goal to fulfill the needs of scientific community and the FAIR accelerators and detector development. Even though GSI has been well known for its operation of a variety of ion beams ranging from proton up to uranium for multi research areas such as nuclear physics, astrophysics, biophysics, material science, the upcoming beam time faces a number of challenges in re-commissioning its existing circular accelerators with brand new control system and upgrade of beam instrumentations, as well as in rising failures of dated components and systems. The cycling synchrotron SIS18 has been undergoing a set of upgrade measures for fulfilling future FAIR operation, among which many measures will also be commissioned during the upcoming beam time. This paper presents the highlights of the challenges such as re-establishing the high intensity heavy ion operation as well as parallel operation mode for serving multi users. The status of preparation including commissioning results will also be reported.
Recent measurements of e+e− pair production in pp and p–Pb collisions at the center-of-mass energy √SNN = 5.02 TeV are reported. Cold nuclear matter effects such as shadowing, as well as the possible presence of thermal radiation, are investigated in p–Pb collisions with the dielectron nuclear modification factor RpPb. Furthermore, results on dielectrons at low pT,ee in peripheral Pb–Pb collisions at √SNN = 5.02 TeV and in pp collisions at √S = 13 TeV are presented and compared to calculations.
The production of low-mass dielectrons is one of the most promising tools for the investigation of chiral symmetry restoration and thermal radiation from the QGP created in heavy-ion collisions. To single out the signal characteristics of the QGP, it is crucial to understand the primordial e+e− pair production in vacuum, i.e. in inelastic proton-proton (pp) collisions. Low-mass dielectrons have been measured with ALICE at the LHC in pp collisions at s=7and13TeV, and in Pb–Pb collisions at sNN=2.76TeV. An overview of the results on dielectron production is presented, together with their implications for the direct-photon and heavy-quark production.
Electromagnetic probes such as photons and dielectrons (e+e− pairs) are a unique tool to study the space-time evolution of the hot and dense matter created in ultrarelativistic heavy-ion collisions. At low dielectron invariant mass (mee), thermal radiation from the hot hadronic phase contributes to the dielectron spectrum via decays of ρ mesons, whose spectral function is sensitive to chiral-symmetry restoration. At larger mee, thermal radiation from the quark–gluon plasma carries information about the early temperature of the medium. At LHC energies, it is nevertheless dominated by a large background from correlated heavy-flavor hadron decays affected by energy loss and flow in the medium. Complementary to the real photon measurements, dielectron data also allow the extraction of the real direct photon fraction, including thermal photons at low pair transverse momentum pT,ee. The latest ALICE results on dielectron studies in Pb-Pb, and in inelastic and high-multiplicity pp collisions, at √sNN = 5.02 TeV and at √s = 13 TeV, respectively, are presented and compared to simulations and expectations from theory. The status of the Run 3 analysis is also reported.
The Compressed Baryonic Matter (CBM) is one of the core experiments at the future Facility for Anti-proton and Ion Research (FAIR), Darmstadt, Germany. Its goal is to investigate nuclear matter characteristics at high net-baryon densities and moderate temperatures. The Silicon Tracking System (STS) is a central detector system of CBM.
It is placed inside a 1Tm magnet and operated at a temperature of about −10 °C to keep radiation-induced bulk current in the 300μm double-sided microstrip silicon sensors low. The design of the STS aims to minimize the material budget in the detector acceptance (2.5° < θ < 25°). In order to do so, the readout electronics is placed outside the active area, and the analog signals are transported via ultra-thin micro-cables. The STS comprises eight tracking stations with 876 modules. Each module is assembled on a carbon fiber ladder, which is subsequently mounted in the C-shaped aluminum frame.
The scope of the thesis focused on developing a modular control system framework that can be implemented for different sizes of experimental setups. The developed framework was used for setups that required a remote operation, like the irradiation of the powering modules for the front-end electronics (FEE), but also in laboratory-based setups where the automation and archiving were needed (thermal cycling of the STS electronics).
The low voltage powering modules will be placed in the vicinity of the experiment, therefore they will experience a total dose of up to 40mGy over the 10 years of STS lifetime.
To estimate the effects of the radiation on the low-voltage module performance, a dedicated irradiation campaign took place. It aimed at estimating the rate of radiation induced soft errors, that lead to the switch off of the FEE.
Regular power cycles of multiple front-end boards (FEBs) pose a risk to the experiment operation. Firstly, such behavior could negatively influence the physics performance but also have deteriorating effects on the hardware. It was further assessed what are the limitations of the FEBs with respect to the thermal cycling and the mechanical stress. The results served as an indication of possible failure modes of the FEB at the end of STS lifetime. Failure modes after repeated cycles and potential reasons were determined (e.g., Coefficient of Thermal Expansion (CTE) difference between the materials).
Due to the conditions inside the STS efficient temperature and humidity monitoring and control are required to avoid icing or water condensation on the electronics or silicon sensors. The most important properties of a suitable sensor candidate are resilience to the magnetic field, ionizing radiation tolerance, and fairly small size.
A general strategy for ambient parameters monitoring inside the STS was developed, and potential sensor candidates were chosen. To characterize the chosen relative humidity sensors the developed control framework was introduced. A sampling system with a ceramic sensor and Fiber Optic Sensors (FOS) were identified as reliable solutions for the distributed sensing system. Additionally, the industrial capacitive sensors will be used as a reference during the commissioning.
Two different designs of FOS were tested: a hygrometer and 5 sensors multiplexed in an array. The FOS hygrometer turned out to be a more reliable solution. One of the possible reasons for a worse performance is a relatively low distance between the subsequent sensors (15 cm) and a thicker coating. The results obtained from the time response study pointed out that the thinner coating of about 15μm should be a good compromise between the humidity sensitivity and the time response.
The implementation of the containerized-based control system framework for the mSTS is described in detail. The deployed EPICS-based framework proved to be a reliable solution and ensured the safety of the detector for almost 1.5 years. Moreover, the data related to the performance of the detector modules were analyzed and significant progress in the quality of modules was noted. Obtained data was also used to estimate the total fluence, which was based on the leakage current changes.
The developed framework provided a unique opportunity to automate and control different experimental setups which provided crucial data for the STS. Furthermore, the work underlines the importance of such a system and outlines the next steps toward the realization of a reliable Detector Control System for STS.
The quark confinement in QCD is achieved by concentration of the chromoelectric field between the quark-antiquark pair into a flux tube, which gives rise to a linear quark-antiquark potential. We study the structure of the flux tube created by a static quark-antiquark pair in the pure gauge SU(3) theory, using lattice Monte-Carlo simulations. We calculate the spatial distribution of all three components of the chromoelectric field and perform the “zero curl subtraction” procedure to obtain the nonperturbative part of the longitudinal component of the field, which we identify as the part responsible for the formation of the flux tube. Taking the spatial derivatives of the obtained field allows us to extract the electric charge and magnetic current densities in the flux tube. The behavior of these observables under smearing and with respect to continuum scaling is investigated. Finally, we briefly discuss the role of magnetic currents in the formation of the string tension.
We demonstrate ultra-sharp (≲10 nm) lateral p-n junctions in graphene using electronic transport, scanning tunneling microscopy, and first principles calculations. The p-n junction lies at the boundary between differentially-doped regions of a graphene sheet, where one side is intrinsic and the other is charge-doped by proximity to a flake of α-RuCl3 across a thin insulating barrier. We extract the p-n junction contribution to the device resistance to place bounds on the junction width. We achieve an ultra-sharp junction when the boundary between the intrinsic and doped regions is defined by a cleaved crystalline edge of α-RuCl3 located 2 nm from the graphene. Scanning tunneling spectroscopy in heterostructures of graphene, hexagonal boron nitride, and α-RuCl3 shows potential variations on a sub-10 nm length scale. First principles calculations reveal the charge-doping of graphene decays sharply over just nanometers from the edge of the α-RuCl3 flake.
We demonstrate ultra-sharp (≲10 nm) lateral p-n junctions in graphene using electronic transport, scanning tunneling microscopy, and first principles calculations. The p-n junction lies at the boundary between differentially-doped regions of a graphene sheet, where one side is intrinsic and the other is charge-doped by proximity to a flake of α-RuCl3 across a thin insulating barrier. We extract the p-n junction contribution to the device resistance to place bounds on the junction width. We achieve an ultra-sharp junction when the boundary between the intrinsic and doped regions is defined by a cleaved crystalline edge of α-RuCl3 located 2 nm from the graphene. Scanning tunneling spectroscopy in heterostructures of graphene, hexagonal boron nitride, and α-RuCl3 shows potential variations on a sub-10 nm length scale. First principles calculations reveal the charge-doping of graphene decays sharply over just nanometers from the edge of the α-RuCl3 flake.
The leptonic decay of the charged pion in the presence of background magnetic fields is investigated using quenched Wilson fermions. It is demonstrated that the magnetic field opens up a new channel for this decay. The magnetic field-dependence of the decay constants for both the ordinary and the new channel is determined. Using these inputs from QCD, we calculate the total decay rate perturbatively.
We determine the magnetic susceptibility of thermal QCD matter by means of first principles lattice simulations using staggered quarks with physical masses. A novel method is employed that only requires simulations at zero background field, thereby circumventing problems related to magnetic flux quantization. After a careful continuum limit extrapolation, diamagnetic behavior (negative susceptibility) is found at low temperatures and strong paramagnetism (positive susceptibility) at high temperatures. We revisit the decomposition of the magnetic susceptibility into spin- and orbital angular momentum- related contributions. The spin term — related to the normalization of the photon lightcone distribution amplitude at zero temperature — is calculated non-perturbatively and extrapolated to the continuum limit. Having access to both the full magnetic susceptibility and the spin term, we calculate the orbital angular momentum contribution for the first time. The results reveal the opposite of what might be expected based on a free fermion picture. We provide a simple parametrization of the temperature- and magnetic field-dependence of the QCD equation of state that can be used in phenomenological studies.
The accuracy on neutron capture cross section of fissile isotopes must be improved for the design of future nuclear systems such as Gen-IV reactors and Accelerator Driven Systems. The High Priority Request List of the Nuclear Energy Agency, which lists the most important nuclear data requirements, includes also the neutron capture cross sections of fissile isotopes such as 233,235U and 239,241Pu. A specific experimental setup has been used at the CERN n_TOF facility for the measurement of the neutron capture cross section of 235U by a set of micromegas fission detectors placed inside a segmented BaF2 Total Absorption Calorimeter.
Cells maintain membrane fluidity by regulating lipid saturation, but the molecular mechanisms of this homeoviscous adaptation remain poorly understood. We have reconstituted the core machinery for regulating lipid saturation in baker’s yeast to study its molecular mechanism. By combining molecular dynamics simulations with experiments, we uncover a remarkable sensitivity of the transcriptional regulator Mga2 to the abundance, position, and configuration of double bonds in lipid acyl chains, and provide insights into the molecular rules of membrane adaptation. Our data challenge the prevailing hypothesis that membrane fluidity serves as the measured variable for regulating lipid saturation. Rather, we show that Mga2 senses the molecular lipid-packing density in a defined region of the membrane. Our findings suggest that membrane property sensors have evolved remarkable sensitivities to highly specific aspects of membrane structure and dynamics, thus paving the way toward the development of genetically encoded reporters for such properties in the future.
In der vorliegenden Diplomarbeit wird die Auger-Ionisation des Kohlenstoffmonooxidmoleküls CO in linear und zirkular polarisierter Röntgenstrahlung untersucht. Die Strahlung liegt im Bereich des Vakuumultraviolett (VUV) bei 305eV und wird durch ein Elektronensynchrotron, die Advanced Light Source des Lawrence Berkeley National Laboratory, erzeugt. Die Energie eines Photons führt zur Photoionisation eines Elektrons aus dem 1s-Orbital des Kohlenstoffs. Das im darauf folgenden Augerzerfall ausgesandte Elektron und die jeweils einfach positiv geladenen Fragmente aus der Coulombexplosion des CO++-Molekülions werden hinsichtlich ihrer Impulse vermessen. Zur Impulsmessung wurde die in unserer Arbeitsgruppe laufend weiter entwickelte Methode COLTRIMS (COld Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) eingesetzt. Der experimentelle Aufbau gestattet prinzipiell die Messung aller bei der Ionisation freigesetzten geladenen Teilchen. Um die hochenergetischen Auger-Elektronen mit hinreichender Auflösung zu erfassen, wurde erstmals bei einer solchen Apparatur ein Abbremsfeld eingebaut. Dadurch werden allerdings die niederenergetischen Photoelektronen unterdrückt. Die Meßmethode erlaubt eine Rekonstruktion der Impulse der Fragmente zum Zeitpunkt der Ionisation und läßt Rückschlüsse auf die Dynamik der Ionisation zu. Die Winkelverteilung der Augerelektronen wird in Abhängigkeit von der Polarisation beobachtet. Die Verteilungen sowohl des Polar- als auch des Azimutwinkels zur rekonstruierten Molekülachse zeigen keine ausgeprägte Abhängigkeit von der Polarisation. Dies rehabilitiert das von Guillemin et al. in Frage gestellte Zweistufenmodell des Augerzerfalls. Durch Selektion der kinetischen Energie der Augerelektronen und der bei der Coulombexplosion freigesetzten kinetischen Energie (KER) gelingt es, kurzlebige Molekülionen nach Drehimpulszuständen zu trennen und deutlich anisotrope Emissionsmuster zu beobachten. Die Muster lassen sich qualitativ erklären. Langlebigere Molekülionen zeigen ein scharfe Vibrationlinien im KER-Spektrum. Das Vibrationsspektrum wird analysiert und in Bezug zu vorangehenden Messungen gesetzt. Durch die koinzidente Meßmethode ist es möglich, bislang nicht beobachtbare Vibrationslinien zu identifizieren.
We fabricated memristive devices using focused electron beam-induced deposition (FEBID) as a direct-writing technique employing a Pt/TiO2/Pt sandwich layer device configuration. Pinching in the measured current-voltage characteristics (i-v), the characteristic fingerprint of memristive behavior was clearly observed. The temperature dependence was measured for both high and low resistive states in the range from 290 K down to about 2 K, showing a stretched exponential behavior characteristic of Mott-type variable-range hopping. From this observation, a valence change mechanism of the charge transport inside the TiO2 layer can be deduced.
Although the 12C(n,p)12B and 12C(n,d)11B reactions are of interest in several fields of basic and applied Nuclear Physics the present knowledge of these two cross-sections is far from being accurate and reliable, with both evaluations and data showing sizable discrepancies. As part of the challenging n_TOF program on (n,cp) nuclear reactions study, the energy differential cross-sections of the 12C(n,p)12B and 12C(n,d)11 B reactions have been measured at CERN from the reaction thresholds up to 30 MeV neutron energy. Both measurements have been recently performed at the long flight-path (185 m) experimental area of the n_TOF facility at CERN using a pure (99.95%) rigid graphite target and two silicon telescopes. In this paper an overview of the experiment is presented together with a few preliminary results.
The Cosmological Lithium Problem refers to the large discrepancy between the abundance of primordial 7Li predicted by the standard theory of Big Bang Nucleosynthesis and the value inferred from the so-called “Spite plateau” in halo stars. A possible explanation for this longstanding puzzle in Nuclear Astrophysics is related to the incorrect estimation of the destruction rate of 7Be, which is responsible for the production of 95% of primordial Lithium. While charged-particle induced reactions have mostly been ruled out, data on the 7Be(n,α) and 7Be(n,p) reactions are scarce or completely missing, so that a large uncertainty still affects the abundance of 7Li predicted by the standard theory of Big Bang Nucleosynthesis. Both reactions have been measured at the n_TOF facility at CERN, providing for the first time data in a wide neutron energy range.
The n_TOF facility operates at CERN with the aim of addressing the request of high accuracy nuclear data for advanced nuclear energy systems as well as for nuclear astrophysics. Thanks to the features of the neutron beam, important results have been obtained on neutron induced fission and capture cross sections of U, Pu and minor actinides. Recently the construction of another beam line has started; the new line will be complementary to the first one, allowing to further extend the experimental program foreseen for next measurement campaigns.
The study of neutron-induced reactions is of high relevance in a wide variety of fields, ranging from stellar nucleosynthesis and fundamental nuclear physics to applications of nuclear technology. In nuclear energy, high accuracy neutron data are needed for the development of Generation IV fast reactors and accelerator driven systems, these last aimed specifically at nuclear waste incineration, as well as for research on innovative fuel cycles. In this context, a high luminosity Neutron Time Of Flight facility, n_TOF, is operating at CERN since more than a decade, with the aim of providing new, high accuracy and high resolution neutron cross-sections. Thanks to the features of the neutron beam, a rich experimental program relevant to nuclear technology has been carried out so far. The program will be further expanded in the near future, thanks in particular to a new high-flux experimental area, now under construction.
Folgend auf den ersten Realisierungen von Bose-Einstein Kondensaten erschienen weitere innovative Experimente, die sich in den optischen Gittern gefangenen Quantengasen widmeten. In diesen zahlreichen, wissenschaftlichen Untersuchungen konnten die Eigenschaften von Bose-Einstein Kondensaten besser verstanden werden. Das Prinzip von Vielteilchensystemen, gefangen in einem periodischen Potential, bot eine Plattform zur Untersuchung weiterer Quantenphasen.
Eine konzeptionell einfache Modifikation von solchen Systemen erhält man durch die Kopplung der Grundzustände der gefangenen Teilchen an hoch angeregten Zuständen mithilfe einer externen Lichtquelle. Im Falle dessen, dass diese Zustände nahe der Ionisationsgrenze des Atoms liegen, spricht man von Rydberg-Zuständen und Atome, welche zu diesen Zuständen angeregt werden, bezeichnet man als Rydberg-Atome. Eines der vielen charakteristischen Eigenschaften von Rydberg-Atomen ist die Fähigkeit über große Entfernungen jenseits der atomaren Längenskalen zu wechselwirken. Im Rahmen von Vielteilchensystemen wurden dementsprechend Kristallstrukturen aus gefangenen Rydberg-Atomen experimentell beobachtet.
Nun stellt sich die Frage, was mit einem gefangenen Bose-Einstein Kondensat passiert, dessen Teilchen an langreichweitig wechselwirkenden Zuständen gekoppelt sind. Gibt es ein Parameterregime, in dem sowohl Kristallstruktur als auch Suprafluidität in solchen Systemen koexistieren können? Dies ist die zentrale Frage dieser Arbeit, die sich mit der Theorie von gefangenen Quantengasen gekoppelt an Rydberg-Zuständen auseinandersetzt.
We present results of lattice QCD simulations with mass-degenerate up and down and mass-split strange and charm (Nf = 2+1+1) dynamical quarks using Wilson twisted mass fermions at maximal twist. The tuning of the strange and charm quark masses is performed at three values of the lattice spacing a ~ 0:06 fm, a ~ 0:08 fm and a ~ 0:09 fm with lattice sizes ranging from L ~ 1:9 fm to L ~ 3:9 fm. We perform a preliminary study of SU(2) chiral perturbation theory by combining our lattice data from these three values of the lattice spacing.
We present first results from runs performed with Nf = 2+1+1 flavours of dynamical twisted mass fermions at maximal twist: a degenerate light doublet and a mass split heavy doublet. An overview of the input parameters and tuning status of our ensembles is given, together with a comparison with results obtained with Nf = 2 flavours. The problem of extracting the mass of the K- and D-mesons is discussed, and the tuning of the strange and charm quark masses examined. Finally we compare two methods of extracting the lattice spacings to check the consistency of our data and we present some first results of cPT fits in the light meson sector.
We present the status of runs performed in the twisted mass formalism with Nf =2+1+1 flavours of dynamical fermions: a degenerate light doublet and a mass split heavy doublet. The procedure for tuning to maximal twist will be described as well as the current status of the runs using both thin and stout links. Preliminary results for a few observables obtained on ensembles at maximal twist will be given. Finally, a reweighting procedure to tune to maximal twist will be described.
Time-resolved Fourier transform infrared difference spectra of the phosphoenzyme conversion and Ca(2+) release reaction (Ca(2)E(1)-P --> E(2)-P) of the sarcoplasmic reticulum Ca(2+)-ATPase were recorded at pH 7 and 1 degrees C in H(2)O and (2)H(2)O. In the amide I spectral region, the spectra indicate backbone conformational changes preserving conformational changes of the preceding phosphorylation step. beta-sheet or turn structures (band at 1685 cm(-1)) and alpha-helical structures (band at 1653 cm(-1)) seem to be involved. Spectra of the model compound EDTA for Ca(2+) chelation indicate the assignment of bands at 1570, 1554, 1411 and 1399 cm(-1) to Ca(2+) chelating Asp and Glu carboxylate groups partially shielded from the aqueous environment. In addition, an E(2)-P band at 1638 cm(-1) has been tentatively assigned to a carboxylate group in a special environment. A Tyr residue seems to be involved in the reaction (band at 1517 cm(-1) in H(2)O and 1515 cm(-1) in (2)H(2)O). A band at 1192 cm(-1) was shown by isotopic replacement in the gamma-phosphate of ATP to originate from the E(2)-P phosphate group. This is a clear indication that the immediate environment of the phosphoenzyme phosphate group changes in the conversion reaction, altering phosphate geometry and/or electron distribution.
P-O bond destabilization accelerates phosphoenzyme hydrolysis of sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase
(2004)
The phosphate group of the ADP-insensitive phosphoenzyme (E2-P) of sarcoplasmic reticulum Ca2+-ATPase (SERCA1a) was studied with infrared spectroscopy to understand the high hydrolysis rate of E2-P. By monitoring an autocatalyzed isotope exchange reaction, three stretching vibrations of the transiently bound phosphate group were selectively observed against a background of 50,000 protein vibrations. They were found at 1194, 1137, and 1115 cm–1. This information was evaluated using the bond valence model and empirical correlations. Compared with the model compound acetyl phosphate, structure and charge distribution of the E2-P aspartyl phosphate resemble somewhat the transition state in a dissociative phosphate transfer reaction; the aspartyl phosphate of E2-P has 0.02 Å shorter terminal P–O bonds and a 0.09 Å longer bridging P–O bond that is ∼20% weaker, the angle between the terminal P–O bonds is wider, and –0.2 formal charges are shifted from the phosphate group to the aspartyl moiety. The weaker bridging P–O bond of E2-P accounts for a 1011–1015-fold hydrolysis rate enhancement, implying that P–O bond destabilization facilitates phosphoenzyme hydrolysis. P–O bond destabilization is caused by a shift of noncovalent interactions from the phosphate oxygens to the aspartyl oxygens. We suggest that the relative positioning of Mg2+ and Lys684 between phosphate and aspartyl oxygens controls the hydrolysis rate of the ATPase phosphoenzymes and related phosphoproteins.
In non-hadronic axion models, which have a tree-level axion-electron interaction, the Sun produces a strong axion flux by bremsstrahlung, Compton scattering, and axiorecombination, the "BCA processes." Based on a new calculation of this flux, including for the first time axio-recombination, we derive limits on the axion-electron Yukawa coupling gae and axion-photon interaction strength ga using the CAST phase-I data (vacuum phase). For ma <~ 10 meV/c2 we find ga gae < 8.1 × 10−23 GeV−1 at 95% CL. We stress that a next-generation axion helioscope such as the proposed IAXO could push this sensitivity into a range beyond stellar energy-loss limits and test the hypothesis that white-dwarf cooling is dominated by axion emission.
Dumme Fragen gibt es nicht
(2022)
Recently the Universal Linear Accelerator (UNILAC) serves as a powerful high duty factor (25%) heavy ion beam accelerator for the ambitious experiment program at GSI. Beam time availability for SHE (Super Heavy Element)-research will be decreased due to the limitation of the UNILAC providing Uranium beams with an extremely high peak current for FAIR simultaneously. To keep the GSI-SHE program competitive on a high level and even beyond, a standalone superconducting continuous wave (100% duty factor) LINAC in combination with the upgraded GSI High Charge State injector is envisaged. In preparation for this, the first LINAC section (financed by HIM and GSI) will be tested with beam in 2017, demonstrating the future experimental capabilities. Further on the construction of an extended cryo module comprising two shorter Crossbar-H cavities is foreseen to test until end of 2017. As a final R&D step towards an entire LINAC three advanced cryo modules, each comprising two CH cavities, should be built until 2019, serving for first user experiments at the Coulomb barrier.
Da in der Run 3 Periode des CERN LHC die Kollisionsrate auf 50 kHz erhöht werden soll, muss die ALICE TPC umgebaut werden. Die Vieldrahtproportionalkammern mit Sperrgitter sollen gegen eine GEM-basierte Auslese ausgetauscht werden, um eine kontinuierliche Auslese zu ermöglichen.
Es wurde eine GEM-Testkammer, die mit drei und vier GEM-Folien betrieben werden kann, entwickelt und gebaut. GEM-Folien wurden unter dem Mikroskop auf Fehler untersucht und auf ihre Spannungsfestigkeit hin getestet sowie gerahmt und in die Kammer eingesetzt. Mit der fertigen kleinen TPC mit GEM-basierter Auslese wurden IBF und Energieauflösung gemessen. Ziel der Messungen war es, einen möglichst geringen IBF von unter 1 % zu erhalten, um so wenig wie möglich Feldverzerrungen im Driftvolumen der TPC zu erhalten, bei gleichzeitig guter Energieauflösung von mindestens 12 %, um eine gute Teilchenidentifikation in der TPC sicherzustellen.
Da standard GEM-Konfigurationen mit nur drei GEM-Folien zwar eine gute Energieauflösung, jedoch zu viel IBF aufweisen, wurden die Messungen hauptsächlich mit vier GEM-Folien durchgeführt. Es wurden zwei verschiedene Arten von GEM-Folien verwendet, Standard (S) und Large-Pitch (LP) GEM-Folien, die bei einem Großteil der Messungen in der S-LP-LP-S-Konfiguration angeordnet waren.
Es wurde festgestellt, dass sich IBF und Energieauflösung gegenläufig verhalten, bei besser werdendem IBF also die Energieauflösung schlechter wird und umgekehrt.
Es wurden zwei verschiedene Gasmischungen, Ne-CO2-N2 (90-10-5) und Ar-CO2 (90-10), untersucht. Mit Neon wurde bei einem Gain von 2000 gemessen, mit Argon nur bei einem Gain von 1000, da bei Argon die Anzahl der produzierten Elektronen pro cm etwa doppelt so groß ist.
Der IBF war mit beiden Gasmischungen etwa gleich groß. Die Energieauflösung war mit Argon jedoch aufgrund des niedrigeren Gains erheblich schlechter. Mit Ne-CO2-N2 (90-10-5) gelang es, einen Arbeitspunkt mit einer Energieauflösung von etwa 12 % und einem IBF von unter 1 % zu finden, mit Ar-CO2 (90-10) war dies jedoch nicht der Fall.
Ziel der Bachelorarbeit war es, einen Versuch für das Fortgeschrittenen-Praktikum des Instituts für Kernphysik zu konzipieren, der es ermöglicht, die Lebensdauer von aus der kosmischen Strahlung entstandenen Myonen zu bestimmen.
Dazu wurden vorhandene Komponenten auf ihre Gebrauchstauglichkeit getestet und untersucht, insbesondere in Bezug auf die Größe der Szintillatoren, ob der für einen Praktikumsversuch zeitlich gegebene Rahmen eingehalten werden kann.
Es ergaben sich einige mechanische Probleme, insbesondere bei der Verbindung der neuen, größeren Szintillatoren mit den Photomultipliern, die angegangen wurden. Die zuerst getestete Methode stellte sich jedoch als uneffektiv heraus, sodass die endgültige Lösung mit Hilfe einer neuen, computergesteuerten Fräsmaschine der Feinmechanik-Werkstatt erreicht werden soll.
Um die entstandenen Daten zu verarbeiten, wurde ein entsprechendes Programm in LabVIEW entwickelt, das die am TDC abgegriffenen Daten auf ihre Relevanz untersucht und die Ergebnisse in eine Textdatei schreibt. Das LabVIEW Front Panel wurde dabei so gestaltet, dass es den Praktikanten alle wichtigen Daten in graphisch anschaulicher Weise liefert.
Die Daten aus der Textdatei werden dann mit Hilfe eines ROOT Makros mit zwei verschiedenen Exponentialfunktionen gefittet.
In ersten Messungen ergibt sich ein Wert für die Lebensdauer der Myonen, der erstaunlich nahe am Literaturwert liegt.
Das Feld der Hochenergie-Schwerionenforschung hat sich der Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas (QGP) gewidmet. Ein QGP ist ein sehr heißer und dichter Materiezustand, der kurz nach dem Urknall für einige Mikrosekunden das Universum füllte. Unter diesen extremen Bedingungen sind die fundamentalen Bausteine der Materie, die Quarks und Gluonen, quasi frei, also nicht in Hadronen eingeschlossen, wie es unter normalen Bedingungen der Fall ist. Hadronen sind Teilchen, die aus Quarks und Gluonen bestehen. Die bekanntesten Hadronen sind Protonen und Neutronen, die Bestandteile von Atomkernen, aus denen, zusammen mit Elektronen, die gesamte bekannte Materie aufgebaut ist.
Um ein QGP im Labor zu erzeugen, lässt man ultrarelativistische schwere Ionen, wie zum Beispiel Pb-208-Kerne, aufeinander prallen. Dies geschieht am CERN, dem größten Kernforschungszentrum der Welt. Der Teilchenbeschleuniger, welcher Protonen und Pb-Kerne beschleunigt und zur Kollision bringt, heißt Large Hadron Collider (LHC) und ist mit 27 km Umfang der größte der Welt. Bei einer einzigen Pb-Pb Kollision am LHC werden mehrere Tausend Teilchen und Antiteilchen erzeugt. Das dedizierte Experiment zur Untersuchung von Schwerionenkollisionen am LHC ist ALICE. ALICE ist mit mehreren Teilchendetektoren ausgerüstet, die es ermöglichen, tausende Teilchen gleichzeitig zu messen und zu identifizieren.
Unter den produzierten Teilchen befinden sich auch leichte Atomkerne, wenngleich diese nur sehr selten erzeugt werden. Die Anzahl der produzierten Teilchen pro Teilchensorte hängt nämlich von deren Masse ab. In Pb-Pb Kollisionen am LHC sinkt die Anzahl der produzierten (Anti)kerne exponentiell um einen Faktor 1/330 bei Hinzufügen jedes weiteren Nukleons. Die Menge an produzierten Teilchen pro Spezies stellt Informationen über den Produktionsmechanismus beim Übergang vom QGP zum Hadrongas zur Verfügung. Hierbei sind leichte (Anti)kerne von besonderem Interesse, da sie vergleichsweise groß sind und ihre Bindungsenergie bis zu zwei Größenordnungen kleiner ist als die Temperaturen, die bei der Erzeugung der Hadronen vorherrschen. Es ist bis heute noch nicht verstanden, wie leichte (Anti)kerne bei diesen Bedingungen erzeugt werden und überleben können.
Für diese Arbeit wurden ca. 270 Millionen Pb-Pb Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 5,02 TeV, die von ALICE im November 2018 aufgezeichnet wurden, analysiert. Es wurde die Produktion von (Anti)triton und (Anti)alpha untersucht. Wegen ihrer großen Masse werden beide Kerne sehr selten produziert, bei weitem nicht bei jeder Kollision. Antialpha ist der schwerste Antikern, der jemals gemessen wurde. Aufgrund dieser Seltenheit ist die Größe des zur Verfügung stehenden Datensatzes entscheidend. Es war möglich, das erste jemals gemessene Antialpha-Transversalimpulsspektrum zu extrahieren. Auch für (Anti)triton und Alpha wurden Transversalimpulsspektren bestimmt.
Die Ergebnisse wurden mit theoretischen Modellen und anderen ALICE Messungen verglichen.
Am Ende wird in einem Ausblick auf das kürzlich durchgeführte Upgrade der ALICE Spurendriftkammer (TPC) eingegangen. In der nächsten, bald startenden Datennahmeperiode wird der LHC seine Kollisionsrate erheblich erhöhen, was es ermöglichen wird, mehr als 100 mal so viele Daten wie bisher aufzuzeichnen. Hiervon werden die in dieser Arbeit beschriebenen (Anti)triton- und (Anti)alpha-Analysen beachtlich profitieren. Um mit den erheblich höheren Kollisionsraten zurecht zu kommen, mussten einige Detektoren, unter anderem die TPC, maßgeblich erneuert werden. In den ersten beiden Datennahmeperioden wurde die TPC mit Vieldrahtproportionalkammern betrieben. Diese sind allerdings viel zu langsam für die geplanten Kollisionsraten. Deshalb wurden sie im Jahr 2019, während einer langen Betriebspause des LHC, durch Quadrupel-GEM (Gas Electron Multiplier) Folien basierte Auslesekammern ersetzt, welche eine kontinuierliche Auslese der TPC ermöglichen. Da es sich um die erste jemals gebaute GEM TPC im Großformat handelt, war ein umfangreiches Forschungs- und Entwicklungs- (F&E) Programm notwendig, um die GEM Auslesekammern zu charakterisieren und zu testen. Im Rahmen dieses F&E Programms wurden am Anfang dieser Promotion systematische Messungen an einer kleinen Test TPC mit Quadrupel-GEM Auslese, die extra zu diesem Zweck gebaut worden war, durchgeführt. Hierbei wurde der Rückfluss der bei der Gasverstärkung erzeugten Ionen in das Driftvolumen der TPC und die Energieauflösung mit verschiedenen GEM Folien Typen und unterschiedlicher Anordnung gemessen. Das Ziel war, möglichst kleine Ionenrückflüsse bei möglichst guter Energieauflösung zu erreichen. Hierbei musste ein Kompromiss gefunden werden, da die beiden Größen sich gegenläufig verhalten. Es war jedoch möglich, mit mehreren GEM Konfigurationen Spannungseinstellungen zu identifizieren, bei denen beide Größen den gewünschten Anforderungen entsprachen.
A CW RFQ prototype
(2011)
A short RFQ prototype was built for RF-tests of high power RFQ structures. We will study thermal effects and determine critical points of the design. HF-simulations with CST Microwave Studio and measurements were done. The cw-tests with 20 kW/m RF-power and simulations of thermal effects with ALGOR were finished successfully. The optimization of some details of the HF design is on focus now. First results and the status of the project will be presented.
This paper reports on Monte Carlo simulation results for future measurements of the moduli of time-like proton electromagnetic form factors, |GE | and |GM|, using the ¯pp → μ+μ− reaction at PANDA (FAIR). The electromagnetic form factors are fundamental quantities parameterizing the electric and magnetic structure of hadrons. This work estimates the statistical and total accuracy with which the form factors can be measured at PANDA, using an analysis of simulated data within the PandaRoot software framework. The most crucial background channel is ¯pp → π+π−,due to the very similar behavior of muons and pions in the detector. The suppression factors are evaluated for this and all other relevant background channels at different values of antiproton beam momentum. The signal/background separation is based on a multivariate analysis, using the Boosted Decision Trees method. An expected background subtraction is included in this study, based on realistic angular distribuations of the background contribution. Systematic uncertainties are considered and the relative total uncertainties of the form factor measurements are presented.
The collision process is described by hydrodynamical equations. The escape of nucleons which do not take part in the thermal equilibrium is considered by including drain terms in these equations. The energy spectra of the escaped nucleons and of nucleons evaporated after the breakup of the fluid are compared. NUCLEAR REACTIONS Relativistic heavy ion reactions, nuclear hydrodynamics, nucleon spectra.
Ionenstrahlen werden in der Grundlagenforschung, in der Industrie und der Medizin verwendet. Um die Teilchen für die jeweiligen Anforderungen nutzbar zu machen, werden sie mit Ionenbeschleunigern je nach Anwendung auf eine bestimmte Energie beschleunigt. Eine Beschleunigeranlage besteht dabei aus einer Reihe von unterschiedlichen Elementen: Ionenquellen, Linearbeschleuniger, Kreisbeschleuniger, Fokussierelemente, Diagnosesysteme usw. In jeder dieser Kategorien gibt es wiederum verschiedene Realisierungsmöglichkeiten, je nach Anforderung des jeweiligen Abschnitts und der gesamten Anlage. Im Bereich der Linearbeschleuniger ist als Bindeglied zwischen Ionenquelle/Niederenergiebereich und Nachfolgebeschleuniger der Radiofrequenzquadrupol (RFQ) weit verbreitet. Dieser kann den aus der Quelle kommenden Gleichstromstrahl in Teilchenpakete (Bunche) formen und diese gleichzeitig auf die nächste Beschleunigerstufe angepasst vorbeschleunigen. Desweiteren wird der Teilchenstrahl innerhalb des RFQ kontinuierlich fokussiert, wodurch insbesondere bei diesen niedrigen Energien Strahlverluste minimiert werden. Bei hohem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis wird für schwere Ionen eine niedrige Resonanzfrequenz von deutlich unter 100 MHz benötigt. Dies führt zu längeren Beschleunigungszellen entlang der Elektroden, womit durch eine bessere Fokussierung auch höhere Strahlströme beschleunigt werden können. Im Allgemeinen bedeutet eine niedrigere Resonanzfrequenz aber auch einen größeren Querschnitt der Resonanzstruktur sowie einen längeren Beschleuniger. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung unterschiedlicher RFQ-Strukturen für niedrige Frequenzen, wie sie beispielsweise im Linearbeschleunigerbereich der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt Anwendung finden. Zunächst wird die Beschleunigeranlage des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt und dessen zur Zeit im Bau befindliche Erweiterung FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) kurz vorgestellt. Teil dieser Anlage ist der Hochstrominjektor genannte Anfangsbeschleuniger, der wiederum aus einem RFQ und zwei nachfolgenden Driftröhrenbeschleunigern besteht. Dieser Hochstrominjektor dient als Referenz für die vorliegende Arbeit. In Kapitel 3 wird kurz auf Linearbeschleuniger im Allgemeinen und auf das Grundprinzip und die Eigenschaften eines RFQ näher eingegangen. Anschließend werden verschiedene RFQ-Strukturkonzepte vorgestellt und die Strahldynamik in einem RFQ sowie charakteristische Resonatorgrößen beschrieben. Ausgangspunkt ist der aktuelle RFQ des Hochstrominjektors (Kapitel 4). Dieser IH-RFQ mit einer Betriebsfrequenz von 36 MHz ist seit vielen Jahren in Betrieb und soll für eine verbesserte Effizienz und Betriebssicherheit ein Upgrade erfahren. Dazu wurden Simulationen sowohl der bestehenden Struktur als auch mit Modifikationen durchgeführt und diese miteinander verglichen. Zur Entwicklung eines kompakten Resonators werden in Kapitel 5 verschiedene Splitring-RFQ-Modelle als Alternative zur IH-Struktur mittels Simulationen untersucht. Diese wurden für eine niedrigere Frequenz von 27 MHz entworfen, was der Frequenz des ursprünglichen Wideröe-Beschleunigers (Vorgänger des Hochstrominjektors HSI) entspricht und ebenso wie die 36 MHz des IH-RFQ eine Subharmonische der 108 MHz des Folgebeschleunigers ist. Abschließend wurde noch eine neue RFQ-Struktur, der Splitframe-RFQ, entworfen und untersucht. Auch dieser wurde für eine Frequenz von 27 MHz ausgelegt. Die Ergebnisse dieser Entwicklung, die eine Mischung aus einem Splitring- und einem klassischen 4-Rod-RFQ darstellt, befinden sich in Kapitel 6. Alle Feldsimulationen wurden mit dem Programm Microwave Studio von CST durchgeführt. Zusammenfassend werden die verschiedenen Konzepte anhand der charakteristischen Resonatorgrößen verglichen und ein Ausblick auf weiterführende Arbeiten gegeben.