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Als Plasmafenster wird ein Aufbau bezeichnet, welcher zwei Bereiche unterschiedlicher Drücke voneinander trennt, Teilchenstrahlen jedoch nahezu verlustfrei passieren lässt.
Diese Anwendung einer kaskadierten Bogenentladung wurde von A. Hershcovitch vorgeschlagen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein solches Plasmafenster mit Kanaldurchmessern von 3.3 mm und 5.0 mm aufgebaut sowie die erreichbaren Druckunterschiede untersucht.
Auf der Bestimmung des Einflusses der Plasmaparametern und deren Abhängigkeit von äußeren Parametern auf die erreichbare Trennung der Druckbereiche liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit.
Ein ausgeklügeltes optisches System ermöglicht die simultane Aufnahme mehrerer Spektren entlang der Entladungsachse, welche die gleichzeitige Bestimmung der Elektronendichte und -temperatur ermöglichen.
Für die Analyse der Plamaparameter aus über 6700 Spektren wird eine selbst entwickelte Software genutzt.
Die gemessenen Elektronendichte reicht von 8e14 cm^-3 bis zu 4.2e16 cm^-3.
Sie skaliert sowohl mit der Entladungsstromstärke als auch dem Teilchenfluss.
Für die Elektronentemperatur stellen sich Werte zwischen 1 eV und 1.3 eV ein, sie variiert nur leicht mit der Stromstärke und dem Teilchenfluss.
Wie später gezeigt wird, stimmen die hier präsentierten Daten gut mit Ergebnissen aus Simulationen und Experimenten anderer Arbeitsgruppen überein.
Als Betriebsgas wurde eine 98%Ar-2%H2 Mixtur genutzt, da die Stark-Verbreiterung der H-beta-Linie sowie die physikalischen Eigenschaften von Argon gut beschrieben sind und somit eine akkurate Elektronendichte- und -temperaturbestimmung ermöglichen.
Während die Drücke auf der Niederdruckseite einigen mbar entsprechen, werden auf der Hochdruckseite Drücke bis zu 750 mbar bei Teilchenflüsse zwischen 4.5e20 s^-1 und 18e20 s^-1 sowie Stromstärken von 45 A bis 60 A erreicht.
Die erzielten Druckverhältnisse entsprechen Werten zwischen 40 und 150, was eine Steigerung um einen Faktor von bis zu 12 gegenüber dem Druckverhältnis einer einfachen differentiellen Pumpstufe entspricht.
Zusätzlich zur Trennung der Druckbereiche kann am vorgestellten Experiment die Starkverbreiterung von Emissionslinien untersucht werden.
Vorteilhaft gegenüber anderen Aufbauten ist hier die Möglichkeit, zeitgleich Spektren unterschiedlicher Elektronendichten aufzunehmen.
Die entwickelte Software ist in der Lage, akkurate Halbwertsbreiten zu bestimmen und daher für eine solche Anwendung gut geeignet.
Alleinstellungsmerkmale dieses Aufbaus sind unter anderem die angesprochene Möglichkeit der simultanen Bestimmung von Plasmaparamertern und Linienverbreiterungen sowie der Verzicht auf Keramikisolatoren zwischen den Kühlplatten des Aufbaus.
Optische Analysen ergaben keine signifikante Schädigung der Bestandteile des Aufbaus nach einer Betriebsdauer von über 10 h; einzig die Kathodenspitzen müssen alle 5 h ausgetauscht werden.
Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit wurden eine Master- sowie Bachelorarbeit betreut und erfolgreich zum Abschluss gebracht.
Wie im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, ist das entwickelte Plasmapfenster in der Lage, zwei Bereiche unterschiedlicher Drücke zu trennen und diese Trennung sicher aufrecht zu erhalten.
Die zugrundeliegenden Plasmaparameter sind erforscht und ihr Einfluss auf die Trennungseigentschaft des Plasmafensters beschrieben.
Als nächsten Schritt bietet sich die Erschließung technischer Einsatzmöglichkeiten des Plasmafensters an, so könnte dieses als Plasmastripper oder zum Schutz einer Beschleunigerstruktur vor durch Kollisionsexperimente entstandene radioaktive Isotope oder Sekundärteilchen.
Entwicklung und Inbetriebnahme zweier supraleitender 217 MHz CH-Strukturen für das HELIAC-Projekt
(2019)
Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit wurden zwei baugleiche CH-Strukturen für das im Bau befindliche HELIAC-Projekt (HELmholtz LInear ACcelerator) entwickelt und während der Produktion bis hin zu den finalen Kalttests bei 4.2 K begleitet. Zusammen mit der CH-Struktur des Demonstrator-Projektes ermöglichen sie die vollständige Inbetriebnahme und den ersten Strahltest des ersten Kryomoduls des HELIAC's, welcher aus vier Kryomodulen mit insgesamt 12 CH-Strukturen besteht. Im Vergleich zu bisherigen CH-Strukturen wurde das Design der Kavitäten im Rahmen dieser Dissertation grundlegend überarbeitet und optimiert. Durch die Entfernung der Girder und die konisch geformten Endkappen konnte die Stabilität der neuen CH-Strukturen deutlich erhöht werden, sodass die Drucksensitivität im Vergleich zur ersten CH-Kavität des Demonstrator-Projektes um ca. 80% reduziert werden konnte. Durch die nach außen gezogenen Lamellen der dynamischen Tuner konnte die mechanische Spannung sowie die benötigte Anzahl an Lamellen und damit das Risiko für das Auftreten von Multipacting reduziert werden. Das verringerte Risiko für Multipacting durch die entsprechenden Optimierungen der Kavitäten konnte durch die dauerhafte Überwindung aller Multipacting-Barrieren in den späteren Messungen verifiziert werden. Die Optimierung beider Kavitäten erfolgte dabei mit Hilfe der Simulationsprogramme CST Studio Suite und Ansys Workbench.
Beide Kavitäten wurden von der Firma Research Instruments (RI) gefertigt und während der gesamten Konstruktion durch diverse Zwischenmessungen überwacht. Nach jedem einzelnen Produktionsschritt wurden alle Einflüsse auf die Resonanzfrequenz so präzise ermittelt, dass die Zielfrequenz bei 4.2 K auf mehr als 1‰ genau erreicht werden konnte. Sowohl während der Zwischenmessungen als auch während den finalen Messungen bei 4.2 K wurden automatisierte Aufzeichnungsroutinen verwendet, welche eine sekundengenaue Auslese der Messdaten und damit eine hohe Messgenauigkeit ermöglichten. Im Hinblick auf die Komplexität der CH-Strukturen sind die geringen Abweichungen von der Zielfrequenz der direkte Beweis dafür, wie erfolgreich und präzise die Auswertungen und daraus folgenden Abschätzungen der einzelnen Zwischenmessungen waren. Insgesamt konnten bis auf die mechanischen Eigenmoden alle Ergebnisse der Simulationen durch entsprechende Messungen in guter Näherung verifiziert werden. In jeder Kavität wurden zwei dynamische Tuner verbaut, welche statische und dynamische Frequenzabweichungen im späteren Betrieb ausgleichen können. Die dynamischen Tuner wurden hinsichtlich ihrer mechanischen Stabilität und der erzeugbaren Frequenzänderung sowie ihrer mechanischen Eigenfrequenzen ausführlich mit Hilfe der Simulationsprogramme CST Studio Suite und Ansys Workbench untersucht und optimiert. Um die Ergebnisse der Simulationen zu überprüfen wurden ein eigens dafür entworfener und in der Werkstatt des Instituts für Angewandte Physik gefertigter Messaufbau verwendet, welcher es ermöglichte alle entscheidenden Eigenschaften der dynamischen Tuner präzise zu vermessen. Insgesamt stellen die ausführlichen Messungen mit Hilfe des entworfenen Aufbaus die bisher umfassendsten Messungen dynamischer Balgtuner innerhalb supraleitender CH-Strukturen dar und zeigen, mit welchen Abweichungen zwischen Simulationen und Messungen bei zukünftigen Kavitäten zu rechnen ist. Auch die Feldverteilung entlang der Strahlachse wurde während der Produktion der Kavitäten mit Hilfe der Störkörpermessmethode überprüft. Die dadurch ermittelten Werte stimmten mit einer maximalen Diskrepanz von 9% sehr gut mit den Simulationen überein.
Um eine möglichst gute Oberflächenqualität zu garantieren wurden an der Innenfläche beider Strukturen mindestens 200µm mit einer Mischung aus Fluss-, Salpeter und Phosphorsäure in mehreren Schritten abgetragen. Durch das Aufteilen der Behandlung in einzelne Schritte konnte der Einfluss der Oberflächenbehandlung auf die Resonanzfrequenz besser abgeschätzt und vorausgesehen werden. Dies führte, zusammen mit den Messungen zur Bestimmung der Drucksensitivität und der thermischen Kontraktion der Kavität beim Abkühlen, zu der hohen Übereinstimmung der gemessenen finalen Resonanzfrequenz mit der Zielfrequenz.
Die abschließenden Kalttests der beiden Kavitäten, ohne Heliummantel, wurden am Institut für Angewandte Physik der Johann Wolfgang Goethe Universität in einem vertikalen Bad-Kryostaten durchgeführt. Die erste CH-Struktur konnte erfolgreich bis zu einem maximalen Feldgradienten von 9.2 MV/m getestet werden, was einer effektiven Spannung von 3.37 MV entspricht. Die unbelastete Güte fiel dabei von anfangs 1.08 ∙ 109 auf 2.6 ∙ 108 ab. Die Vorgaben des HELIAC-Projektes liegen bei einem Beschleunigungsgradienten von 5.5 MV/m mit einer unbelasteten Güte von mindestens 3 ∙ 108. Diese Werte wurden von der ersten Kavität deutlich übertroffen, sodass sie für den Betrieb innerhalb des ersten Kryomoduls uneingeschränkt verwendet werden kann.
Bei der zweiten Kavität trat beim Abkühlen auf 4.2 K ein Vakuumleck auf, welches unter Raumtemperatur nicht detektierbar war. Aufgrund der schlechten Vakuumbedingungen innerhalb der Kavität konnten somit keine Messungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit durchgeführt werden, solange das Kaltleck vorhanden war. Ein erneuter Kalttest der Kavität nach Beseitigung des Lecks konnte zeitlich nicht mehr im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt werden und ist aus diesem Grund Gegenstand nachfolgender Untersuchungen.
Insgesamt stellen die Entwicklungen, Untersuchungen und Messungen im Rahmen der hier vorgestellten Dissertation einen entscheidenden Schritt zur Inbetriebnahme des ersten Kryomoduls des HELIAC's sowie der Entwicklung weiterer CH-Kavitäten dar. Das überarbeitete Design der CH-Strukturen hat sich als erfolgreich erwiesen, weswegen es als Ausgangspunkt für die Entwicklung aller nachfolgenden CH-Strukturen des HELIAC, bis hin zur Fertigstellung des kompletten Beschleunigers, verwendet wird.
We study the production of entropy in the context of a nonequilibrium chiral phase transition. The dynamical symmetry breaking is modeled by a Langevin equation for the order parameter coupled to the Bjorken dynamics of a quark plasma. We investigate the impact of dissipation and noise on the entropy and explore the possibility of reheating for crossover and first-order phase transitions, depending on the expansion rate of the fluid. The relative increase in is estimated to range from 10% for a crossover to 100% for a first-order phase transition at low beam energies, which could be detected in the pion-to-proton ratio as a function of beam energy.
The ALICE Collaboration has measured the energy dependence of exclusive photoproduction of J/ψ vector mesons off proton targets in ultra–peripheral p–Pb collisions at a centre-of-mass energy per nucleon pair sNN−−−√=5.02 TeV. The e+e− and μ+μ− decay channels are used to measure the cross section as a function of the rapidity of the J/ψ in the range −2.5<y<2.7, corresponding to an energy in the γp centre-of-mass in the interval 40<Wγp<550 GeV. The measurements, which are consistent with a power law dependence of the exclusive J/ψ photoproduction cross section, are compared to previous results from HERA and the LHC and to several theoretical models. They are found to be compatible with previous measurements.
Measurements of anisotropic flow coefficients with two- and multi-particle cumulants for inclusive charged particles in Pb-Pb collisions at sNN−−−√=5.02 and 2.76 TeV are reported in the pseudorapidity range |η|<0.8 and transverse momentum 0.2<pT<50 GeV/c. The full data sample collected by the ALICE detector in 2015 (2010), corresponding to an integrated luminosity of 12.7 (2.0) μb−1 in the centrality range 0-80%, is analysed. Flow coefficients up to the sixth flow harmonic (v6) are reported and a detailed comparison among results at the two energies is carried out. The pT dependence of anisotropic flow coefficients and its evolution with respect to centrality and harmonic number n are investigated. An approximate power-law scaling of the form vn(pT)∼pn/3T is observed for all flow harmonics at low pT (0.2<pT<3 GeV/c). At the same time, the ratios vn/vn/mm are observed to be essentially independent of pT for most centralities up to about pT=10 GeV/c. Analysing the differences among higher-order cumulants of elliptic flow (v2), which have different sensitivities to flow fluctuations, a measurement of the standardised skewness of the event-by-event v2 distribution P(v2) is reported and constraints on its higher moments are provided. The Elliptic Power distribution is used to parametrise P(v2), extracting its parameters from fits to cumulants. The measurements are compared to different model predictions in order to discriminate among initial-state models and to constrain the temperature dependence of the shear viscosity to entropy-density ratio.
Chirality is omnipresent in living nature. On the single molecule level, the response of a chiral species to a chiral probe depends on their respective handedness. A prominent example is the difference in the interaction of a chiral molecule with left or right circularly polarized light. In the present study, we show by Coulomb explosion imaging that circularly polarized light can also induce a chiral fragmentation of a planar and thus achiral molecule. The observed enantiomer strongly depends on the orientation of the molecule with respect to the light propagation direction and the helicity of the ionizing light. This finding might trigger new approaches to improve laser-driven enantioselective chemical synthesis.
Cortical circuits exhibit highly dynamic and complex neural activity. Intriguingly, cortical activity exhibits consistently two key features across observed species and brain areas. First, individual neurons tend to be co-active in spatially localized domains forming orderly arranged, modular layouts with a typical spatial scale. Second, cortical elements are correlated in their activity over large distances reflecting long-range network interactions distributed over several millimeters. Currently, it is unclear how these two fundamental properties emerge in the early developing cortical activity.
Here, I aim to fill this gap by combining analyses of chronic imaging data and network models of developing cortical activity. Neural recordings of spontaneous and visually evoked activity in primary visual cortex of ferrets during their early cortical development were obtained using in vivo 2-photon and widefield epi-fluorescence calcium imaging. Spontaneous activity was used to probe the early state of cortical networks as its spatiotemporal organization is independent of a stimulus-imposed structure, and it is already present early in cortical development prior to reliably evoked responses. To assess the mature functional organization of distributed networks in cortex, the tuning of neural responses to stimulus features, in particular to the orientation of an edge-like stimulus, was assessed. Cortical responses to moving gratings of varying orientations form an orderly arranged layout of orientation domains extending over several millimeters.
To begin with, I showed that spontaneous activity correlations extend over several millimeters, supporting the assumption of using spontaneous activity to assess distributed networks in cortex.
Next, I asked how distributed networks in the mature visual cortex - assessed by spontaneous activity correlations - are related to its fine-scale functional organization. I found that the spatially extended and modular spontaneous correlation patterns accurately predict the fine spatial structure of visually evoked orientation domains several millimeters away. These results suggest a close relation between spontaneous correlations and visually evoked responses on a fine spatial scale and across large spatial distances.
As the principles governing the functional organization and development of distributed network interactions in the neocortex remain poorly understood, I next asked how long range correlated activity arises early in development. I found that key features of mature spontaneous activity introduced in this work, including long-range spontaneous correlations, were present already early in cortical development prior to the maturation of long-range, horizontal connections, and the predicted mature orientation preference layout. Even after silencing feed-forward input drive by inactivating retina or thalamus, long-range correlated and modular activity robustly emerged in early cortex. These results suggest that local recurrent connections in early cortical circuits can generate structured long-range network correlations that guide the formation of visually-evoked distributed functional networks.
To investigate how these large-scale cortical networks emerge prior to the maturation and elaboration of long-range horizontal connectivity, I examined a statistical network model describing an ensemble of spatially extended spontaneous activity patterns. I found a direct relationship between the dimensionality of this ensemble of activity patterns and the decay of its correlation structure. Specifically, reducing the dimensionality of the ensemble leads to an increase in the spatial range of the correlation structure.
To test whether this mechanism could generate a long-range correlation structure in cortical circuits, I studied a dynamical network model implementing a dimensionality reduction mechanism. Based on previous work demonstrating that network heterogeneity reduces the dimensionality of activity patterns, I showed that by increasing the degree of heterogeneity in the network, the dimensionality of the ensemble of activity patterns decreases and in turn their correlations extend over a greater range. A comparison to experimental data revealed a quantitative match between the network model and the observations in vivo in several of the key features of the early cortex including the spatial scale of correlations. Low dimensionality of spontaneous activity thus might provide an organizational principle explaining the observed long-range correlation structure in the early cortex.
Finally, I asked whether a network with a biologically plausible architecture can generate modular activity. Several classical models showed that modular activity patterns can emerge via an intracortical mechanism involving lateral inhibition. However, this assumption appears to be in conflict with current experimental evidence. Moreover, these network models were not experimentally tested, so far. Here, I showed by using linear stability analysis that spatially localized self-inhibition relaxes the constraints on the connectivity structure in a network model, such that biologically more plausible network motifs with shorter ranging inhibition than excitation can robustly generate modular activity.
Importantly, I also provided several model predictions to make the class of network models experimentally testable in view of recent technological advancements in imaging and manipulation of cortical circuits. A critical prediction of the model is the decrease in spacing of active domains when the total amount of inhibition increases. These results provide a novel mechanism of how cortical circuits with short-range inhibition can form modular activity.
Taken together, this thesis provides evidence that the two described fundamental features of neural activity are already present in the early cortex and shows that activity with those features can be generated in network models with an architecture consistent with the early cortex using basic principles.
We present a study of the elliptic flow and RAA of D and D¯ mesons in Au+Au collisions at FAIR energies. We propagate the charm quarks and the D mesons following a previously applied Langevin dynamics. The evolution of the background medium is modeled in two different ways: (I) we use the UrQMD hydrodynamics + Boltzmann transport hybrid approach including a phase transition to QGP and (II) with the coarse-graining approach employing also an equation of state with QGP. The latter approach has previously been used to describe di-lepton data at various energies very successfully. This comparison allows us to explore the effects of partial thermalization and viscous effects on the charm propagation. We explore the centrality dependencies of the collisions, the variation of the decoupling temperature and various hadronization parameters. We find that the initial partonic phase is responsible for the creation of most of the D/D¯ mesons elliptic flow and that the subsequent hadronic interactions seem to play only a minor role. This indicates that D/D¯ mesons elliptic flow is a smoking gun for a partonic phase at FAIR energies. However, the results suggest that the magnitude and the details of the elliptic flow strongly depend on the dynamics of the medium and on the hadronization procedure, which is related to the medium properties as well. Therefore, even at FAIR energies the charm quark might constitute a very useful tool to probe the quark–gluon plasma and investigate its physics.
We report on the successful implementation and characterization of a cryogenic solid hydrogen target in experiments on high-power laser-driven proton acceleration. When irradiating a solid hydrogen filament of 10 μm diameter with 10-Terawatt laser pulses of 2.5 J energy, protons with kinetic energies in excess of 20 MeV exhibiting non-thermal features in their spectrum were observed. The protons were emitted into a large solid angle reaching a total conversion efficiency of several percent. Two-dimensional particle-in-cell simulations confirm our results indicating that the spectral modulations are caused by collisionless shocks launched from the surface of the the high-density filament into a low-density corona surrounding the target. The use of solid hydrogen targets may significantly improve the prospects of laser-accelerated proton pulses for future applications.
The effect of a non-zero strangeness chemical potential on the strong interaction phase diagram has been studied within the framework of the SU(3) quark-hadron chiral parity-doublet model. Both, the nuclear liquid-gas and the chiral/deconfinement phase transitions are modified. The first-order line in the chiral phase transition is observed to vanish completely, with the entire phase boundary becoming a crossover. These changes in the nature of the phase transitions are expected to modify various susceptibilities, the effects of which might be detectable in particle-number distributions resulting from moderate-temperature and high-density heavy-ion collision experiments.
Early, non-invasive sensing of sustained hyperglycemia in mice using millimeter-wave spectroscopy
(2019)
Diabetes is a very complex condition affecting millions of people around the world. Its occurrence, always accompanied by sustained hyperglycemia, leads to many medical complications that can be greatly mitigated when the disease is treated in its earliest stage. In this paper, a novel sensing approach for the early non-invasive detection and monitoring of sustained hyperglycemia is presented. The sensing principle is based on millimeter-wave transmission spectroscopy through the skin and subsequent statistical analysis of the amplitude data. A classifier based on functional principal components for sustained hyperglycemia prediction was validated on a sample of twelve mice, correctly classifying the condition in diabetic mice. Using the same classifier, sixteen mice with drug-induced diabetes were studied for two weeks. The proposed sensing approach was capable of assessing the glycemic states at different stages of induced diabetes, providing a clear transition from normoglycemia to hyperglycemia typically associated with diabetes. This is believed to be the first presentation of such evolution studies using non-invasive sensing. The results obtained indicate that gradual glycemic changes associated with diabetes can be accurately detected by non-invasively sensing the metabolism using a millimeter-wave spectral sensor, with an observed temporal resolution of around four days. This unprecedented detection speed and its non-invasive character could open new opportunities for the continuous control and monitoring of diabetics and the evaluation of response to treatments (including new therapies), enabling a much more appropriate control of the condition.
We study how the mass and magnetic moment of the quarks are dynamically generated in nonequilibrium quark matter. We derive the equal-time transport and constraint equations for the quark Wigner function in a magnetized quark model and solve them in the semi-classical expansion. The quark mass and magnetic moment are self-consistently coupled to the Wigner function and controlled by the kinetic equations. While the quark mass is dynamically generated at the classical level, the quark magnetic moment is a pure quantum effect, induced by the quark spin interaction with the external magnetic field.
We consider a simple model of modified gravity interacting with a single scalar field ϕ with weakly coupled exponential potential within the framework of non-Riemannian spacetime volume-form formalism. The specific form of the action is fixed by the requirement of invariance under global Weyl-scale symmetry. Upon passing to the physical Einstein frame we show how the non-Riemannian volume elements create a second canonical scalar field u and dynamically generate a non-trivial two-scalar-field potential Ueff(u,ϕ) with two remarkable features: (i) it possesses a large flat region for large u describing a slow-roll inflation; (ii) it has a stable low-lying minimum w.r.t. (u,ϕ) representing the dark energy density in the “late universe”. We study the corresponding two-field slow-roll inflation and show that the pertinent slow-roll inflationary curve ϕ = ϕ(u) in the two-field space (u,ϕ) has a very small curvature, i.e., ϕ changes very little during the inflationary evolution of u on the flat region of Ueff(u,ϕ). Explicit expressions are found for the slow-roll parameters which differ from those in the single-field inflationary counterpart. Numerical solutions for the scalar spectral index and the tensor-to-scalar ratio are derived agreeing with the observational data.
Die vorliegende Dissertation untersucht die Nichtgleichgewichtsdynamik von relativistischen Schwerionenkollisionen ausgehend von der anfänglichen Produktion von Teilchen durch den Zerfall von Strings, der Bildung eines Quark-Gluon-Plasmas (QGP), dessen kinetische und chemische Äquilibrierung als Funktion der Zeit sowie seine Transporteigenschaften im Gleichgewicht bei endlicher Temperatur und endlichem chemischen Potential. Ein Verständnis der frühen Phase der Schwerionenkollisionen ist insbesondere von großen Interesse, da letztere eine Verbindung zwischen den ersten Nukleon-Nukleon Kollisionen und der Quark-Gluon-Plasma Phase herstellen, die zu einem späteren Zeitpunkt ein gewisses Maß an Thermalisierung zeigt. Allerdings können nur Nichtgleichgewichts-Theorien eine Verbindung zwischen dem anfänglichen QGP und seiner - zumindest partiellen - Thermalisierung herstellen. Um die Dynamik eines stark wechselwirkenden Mediums wie des Quark-Gluon-Plasmas zu beschreiben, reichen übliche Transportgleichungen (basierend auf der Boltzmann-Gleichung) nicht aus und es müssen komplexere Theorien, die auch für stark korrelierte Medien geeignet sind, angewendet werden. Hier kommen hydrodynamische Simulationen oder Transportrechnungen - basierend auf verallgemeinerten Transportgleichungen - zum Einsatz. Solche verallgemeinerte Transportgleichungen, wie die Kadanoff-Baym-Gleichungen, ergeben sich aus der quantenmechanischen Nichtgleichgewichts-Vielteilchentheorie, in der Green’s- Funktionen in Minkowski Raum-Zeit die interessierenden Größen sind, um die Dynamik des betrachteten Mediums zu beschreiben. Mit geeigneten Näherungen kann man so kinetische Transportgleichungen erhalten, die eine einheitliche Behandlung von stabilen und instabilen Teilchen auch außerhalb des Gleichgewichts ermöglichen. Diese Bestandteile bilden die Basis des Transportmodells Parton-Hadron-String Dynamics (PHSD), welches daher ein geeignetes ’Instrument’ ist um die verschiedenen Phasen einer Schwerionenkollision zu analysieren, egal ob die verschiedenen Formen der Materie im Gleichgewicht sind oder nicht.
In dieser Arbeit wird zunächst die Quantenchromodynamik (QCD) vorgestellt und erklärt, wie diese Theorie im Laufe der Jahre entwickelt wurde um ein wichtiger Bestandteil des Standardmodells der Teilchenphysik zu werden. Wir werden weiterhin die verbleibenden Herausforderungen in unserem Verständnis der QCD vorstellen, die sich primär auf das Phasendiagramm der stark wechselwirkenden Materie konzentrieren.
Im zweiten Kapitel untersuchen wir die Nichtgleichgewichts-Feldtheorie und die damit verbundenen Techniken - wie die Keldysh-Kontur - zur Beschreibung der Green’schen Funktionen als wesentlichen Freiheitsgrade. Wir leiten die Evolutionsgleichung für die Green’schen Funktionen her, d. h. die Kadanoff Baym-Gleichungen am Beispiel einer skalaren Feldtheorie.
Im nächsten Kapitel wird das Transportmodell Parton-Hadron-String Dynamics (PHSD), welches die Anwendung der verallgemeinerten Transportgleichungen zur Beschreibung relativistischer Schwerionenkollisionen darstellt, vorgestellt.
Wir beginnen im Kapitel 4 mit der Untersuchung der Nichtgleichgewichtseigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas, welches bei relativistischen Schwerionenkollisionen erzeugt wird. Zu diesem Zweck vergleichen wir die Quark-Gluon-Plasmaentwicklung aus dem PHSD mit einem viskosen hydrodynamischen Modell, bei dem ein lokales kinetisches und chemisches Gleichgewicht angenommen wird.
Im Kapitel 5 konzentrieren wir uns auf das frühe Vorgleichgewichtsstadium ultra-relativistischer Schwerionenkollisionen und insbesondere auf die Freiheitsgrade der QGP-Phase in diesem Stadium. Wir untersuchen die Auswirkungen eines QGP, welches anfänglich entweder aus einem System aus massiven Gluonen (Szenario I) oder alternativ aus Quarks und Antiquarks (Szenario II) besteht. Das nächste Kapitel wird ebenfalls die Produktion von Teilchen im Frühstadium von Schwerionenkollisionen behandeln, jedoch bei niedrigeren Kollisionsenergien. Hier wird eine mikroskopische Beschreibung des K+/pi+-Verhältnisses im Vordergrund stehen, d. h. die Erklärung des Maximums in diesem Verhältnis bei etwa 30 A GeV ("Horn") in zentralen Au+Au (oder Pb+Pb) Kollisionen. Insbesonders werden wir die Modifikation des String-Fragmentierungsprozesses (über den Schwinger-Mechanismus) in einer Umgebung mit hoher hadronischer Dichte aufgrund der teilweisen Wiederherstellung der chiralen Symmetrie untersuchen.
In Kapitel 7 erweitern wir das Parton-Hadron-String Dynamics (PHSD)-Transportmodell im partonischen Sektor, indem wir explizit die totalen und differentiellen partonischen Streuungsquerschnitte als Funktion der Temperatur T und des baryochemischen Potentials μB berechnen auf der Basis der effektiven Propagatoren und Kopplungen des Dynamical QuasiParticle Models (DQPM), welches auch die generelle Zeitentwicklung der partonischen Freiheitsgrade beschreibt. Wir finden nur eine sehr bescheidene Änderung von n/s mit dem baryonchemischen Potential μB in Abhängigkeit von der skalierten Temperatur T/Tc(μB). Dies gilt auch für eine Vielzahl von hadronischen Observablen aus zentralen A+A Kollisionen im Energiebereich von 5 GeV < vsNN < 200 GeV bei der Implementierung der differentiellen Querschnitte in das PHSD-Modell. Da wir in Schwerionen-Observablen nur kleine Spuren einer μB-Abhängigkeit finden - obwohl die effektiven Partonenmassen und Kollisionsbreiten sowie deren Partonenquerschnitte eindeutig von μB abhängen - impliziert dies, dass man eine beträchtliche Partonendichte und ein großes Raum-Zeit-QGP-Volumen zur Untersuchung der Dynamik in der partonischen Phase benötigt. Diese Bedingungen sind nur bei hohen Kollisionsenergien erfüllt, bei denen μB jedoch eher niedrig ist. Wenn andererseits die Kollisionsenergie verringert und somit μB erhöht wird, wird die hadronische Phase dominant und dementsprechend wird es zunehmend schwieriger, Signale aus der Partonendynamik auf der Basis von "Bulk"-Observablen zu extrahieren.
Application of the Luttinger theorem to the Kondo lattice YbRh2Si2 suggests that its large 4f-derived Fermi surface (FS) in the paramagnetic (PM) regime should be similar in shape and volume to that of the divalent local-moment antiferromagnet (AFM) EuRh2Si2 in its PM regime. Here we show by angle-resolved photoemission spectroscopy that paramagnetic EuRh2Si2 has a large FS essentially similar to the one seen in YbRh2Si2 down to 1 K. In EuRh2Si2 the onset of AFM order below 24.5 K induces an extensive fragmentation of the FS due to Brillouin zone folding, intersection and resulting hybridization of the Fermi-surface sheets. Our results on EuRh2Si2 indicate that the formation of the AFM state in YbRh2Si2 is very likely also connected with similar changes in the FS, which have to be taken into account in the controversial analysis and discussion of anomalies observed at the quantum critical point in this system.
Measurements of inclusive and direct photon production at mid-rapidity in pp collisions at s√=2.76 and 8 TeV are presented by the ALICE experiment at the LHC. The results are reported in transverse momentum ranges of 0.4<pT<10 GeV/c and 0.3<pT<16 GeV/c, respectively. Photons are detected with the electromagnetic calorimeter~(EMCal) and via reconstruction of e+e− pairs from conversions in the ALICE detector material using the central tracking system. For the final measurement of the inclusive photon spectra the results are combined in the overlapping pT interval of both methods. Direct photon spectra, or their upper limits at 90% C.L. are extracted using the direct photon excess ratio Rγ, which quantifies the ratio of inclusive photons over decay photons generated with a decay-photon simulation. An additional hybrid method, combining photons reconstructed from conversions with those identified in the EMCal, is used for the combination of the direct photon excess ratio Rγ, as well as the extraction of direct photon spectra or their upper limits. While no significant signal of direct photons is seen over the full pT range, Rγ for pT>7 GeV/c is at least one σ above unity and consistent with expectations from next-to-leading order pQCD calculations.
Measurements of inclusive and direct photon production at mid-rapidity in pp collisions at s√=2.76 and 8 TeV are presented by the ALICE experiment at the LHC. The results are reported in transverse momentum ranges of 0.4<pT<10 GeV/c and 0.3<pT<16 GeV/c, respectively. Photons are detected with the electromagnetic calorimeter~(EMCal) and via reconstruction of e+e− pairs from conversions in the ALICE detector material using the central tracking system. For the final measurement of the inclusive photon spectra the results are combined in the overlapping pT interval of both methods. Direct photon spectra, or their upper limits at 90% C.L. are extracted using the direct photon excess ratio Rγ, which quantifies the ratio of inclusive photons over decay photons generated with a decay-photon simulation. An additional hybrid method, combining photons reconstructed from conversions with those identified in the EMCal, is used for the combination of the direct photon excess ratio Rγ, as well as the extraction of direct photon spectra or their upper limits. While no significant signal of direct photons is seen over the full pT range, Rγ for pT>7 GeV/c is at least one σ above unity and consistent with expectations from next-to-leading order pQCD calculations.
The elliptic flow of inclusive and direct photons was measured at mid-rapidity in two centrality classes 0-20% and 20-40% in Pb-Pb collisions at sNN−−−√ = 2.76 TeV by ALICE. Photons were detected with the highly segmented electromagnetic calorimeter PHOS and via conversions in the detector material with the e+e− pairs reconstructed in the central tracking system. The results of the two methods were combined and the direct photon elliptic flow was extracted in the transverse momentum range 0.9<pT<6.2 GeV/c. A comparison to RHIC data shows a similar magnitude of the measured direct-photon elliptic flow. Hydrodynamic and transport model calculations are systematically lower than the data, but are found to be compatible.
Surface plasmon polaritons on (silver) nanowires are promising components for future photonic technologies. Here, we study near-field patterns on silver nanowires with a scattering-type scanning near-field optical microscope that enables the direct mapping of surface waves. We analyze the spatial pattern of the plasmon signatures for different excitation geometries and polarization and observe a plasmon wave pattern that is canted relative to the nanowire axis, which we show is due to a superposition of two different plasmon modes, as supported by electromagnetic simulations including the influence of the substrate. These findings yield new insights into the excitation and propagation of plasmon polaritons for applications in nanoplasmonic devices.
We discuss the diffusion currents occurring in a dilute system and show that the charge currents do not only depend on gradients in the corresponding charge density, but also on the other conserved charges in the system—the diffusion currents are therefore coupled. Gradients in one charge thus generate dissipative currents in a different charge. In this approach, we model the Navier-Stokes term of the generated currents to consist of a diffusion coefficient matrix, in which the diagonal entries are the usual diffusion coefficients and the off-diagonal entries correspond to the coupling of different diffusion currents. We evaluate the complete diffusion matrix for a specific hadron gas and for a simplified quark-gluon gas, including baryon, electric and strangeness charge. Our findings are that the off-diagonal entries can range within the same magnitude as the diagonal ones.