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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.