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In this thesis, we use lattice QCD to study a part of the QCD phase diagram, specifically the QCD phase transition at mu=0, where the QCD matter changes from hadron gas to quark-gluon plasma (QGP) with increasing temperature.
This phase transition takes place as a crossover, but when theoretically changing the masses of the quarks, the order of the phase transition changes as well.
We focus on the region of heavy quark masses with Nf=2 flavours, where we investigate the critical quark mass at the second order phase transition in the form of a Z2 point between the first-order and the crossover region.
The first-order region is positioned at infinitely heavy quarks. As the quark masses decrease, the associated Z3 centre symmetry breaks explicitly, causing the first-order phase transition to weaken until it turns into the Z2 point and finally into a crossover.
We study this Z2 point using simulations at Nf=2 and lattices of the sizes Nt = {6, 8, 10, 12}, partially building on previous work, in which the simulations for Nt = {6, 8, 10} were started.
The simulations for Nt=12 are not finished yet though, but we were able to draw some preliminary conclusions. These simulations are run on GPUs and CPUs, using the codes Cl2QCD and open-QCD-FASTSUM, respectively. Afterwards, the data goes through a first analysis step in the form of the Python program PLASMA, preparing it for the two techniques we use to analyse the nature of the phase transition.
As a first, reliable analysis method, we perform a finite size scaling analysis of the data to find the location of the Z2 point. Since we are using lattice QCD, performing a continuum extrapolation is necessary to reach the continuum result.
In regard to this, the finite size scaling analysis method is hampered by the excessive amount of simulated data that is needed regarding statistics and the total number of simulations, which is why this thesis is only an intermediate step towards the continuum limit.
This also leads to the second analysis technique we explore in this thesis.
We start to design a Landau theory which describes the phase boundary for heavy masses at Nf=2 based on the simulated data.
We develop a Landau functional for every Nt we have simulation data for.
Albeit the results are not at the same precision as the ones from the finite size scaling analysis, we are able to reproduce the position of the Z2 point for every Nt.
Even though we are not able to take a continuum extrapolation right now, after more development takes place in future works, this approach might, in the long run, lead to a continuum result that won't need as many simulations as the finite size scaling analysis.
Precise intensity monitoring at CRYRING@ESR: on designing a Cryogenic Current Comparator for FAIR
(2023)
In the field of today’s beam intensity diagnostic there is a significant gap in the non-interceptive, calibrated measurement of the absolute intensity of continuous (unbunched) dc beams with current amplitudes below 1 μA. At the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) low-intensity DC beams will occur during slow extraction from the synchrotrons as well as for coasting beams of highly-charged or exotic nuclei in the storage rings. The lack of adequate beam instrumentation limits the experimental program as well as the accuracy of experimental results.
The Cryogenic Current Comparator (CCC) can close the diagnostic gap with a high-precision dc current reading independent of ion-species and of beam parameters. However, the established detector design based on a core with high magnetic permeability and on a radial shield geometry has well-known weaknesses concerning magnetic shielding efficiency and intrinsic current noise. To eliminate these weaknesses, a novel coreless CCC with a co-axial shield was constructed and combined with a high-performance SQUID contributed by the Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz-IPHT Jena). The new axial CCC model was compared to a radial CCC with the established design provided by the Friedrich-Schiller-University Jena. According to numerical simulations prepared at TU Darmstadt and test measurements of the detectors in the laboratory, the new design offered a significant improvement of the shielding factor – from 75dB to 207dB at the required dimensions – and eliminated all noise contributions from the core material, promising an improved current resolution. Although the lower inductance of the pickup coil reduced the coupling to the beam significantly, the noise properties of the new CCC type were comparable to the classical version with a high-permeability core. However, the expected decrease of the low-frequency noise and thus an increase of the current resolution could not be observed at this stage of development.
Consequently, the classical CCC based on the radial shielding and high-permeability core had to be installed in CRYRING@ESR to provide best possible intensity measurements for the upcoming experimental campaign. In CRYRING the CCC was operated with beam currents between 1nA and 20μA and with different ion species (H, Ne, O, Pb, U). It was shown that the CCC provides a noise-limited current resolution of better than 3.2 nArms at a bandwidth of 200 kHz as well as a noise level below 40 pA/√Hz above 1 kHz. During the operation, the main noise sources of the accelerator environment had to be identified and suitable mitigation strategies were developed. Temperature and pressure fluctuations were suppressed with a newly-designed cryogenic support system based on a 70 l helium bath cryostat, developed and built in collaboration with the Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden, in combination with a helium re-liquefier. The cryogenic operating time was restricted to around 7 days, which must be expanded significantly in the future. Digital filters were developed to remove the perturbations of the helium liquefier and of the neighboring dipole magnets. Given the promising results the CCC system can be considered as a prototype for future CCCs at FAIR.
This thesis deals with several aspects of non-perturbative calculations in low-dimensional quantum field theories. It is split into two main parts:
The first part focuses on method development and testing. Using exactly integrable QFTs in zero spacetime dimensions as toy models, the need for non-perturbative methods in QFT is demonstrated. In particular, we focus on the functional renormalization group (FRG) as a non-perturbative exact method and present a novel fluid-dynamic reformulation of certain FRG flow equations. This framework and the application of numerical schemes from the field of computational fluid dynamics (CFD) to the FRG is tested and benchmarked against exact results for correlation functions. We also draw several conclusions for the qualitative understanding and interpretation of renormalization group (RG) flows from this fluid-dynamic reformulation and discuss the generalization of our findings to realistic higher-dimensional QFTs.
The topics discussed in the second part are also manifold. In general, the second part of this thesis deals with the Gross-Neveu (GN) model, which is a prototype of a relativistic QFT. Even though being a model in two spacetime dimensions, it shares many features of realistic models and theories for high-energy particle physics, but also emerges as a limiting case from systems in solid state physics. Especially, it is interesting to study the model at non-vanishing temperatures and densities, thus, its thermodynamic properties and phase structure.
First, we use this model to test and apply our findings of the first part of this thesis in a realistic environment. We analyze how the fluid-dynamic aspects of the FRG realize themselves in the RG flow of a full-fledged QFT and how we profit from this numeric framework in actual calculations. Thereby, however, we also aim at answering a long-standing question: Is there still symmetry breaking and condensation at non-zero temperatures in the GN model, if one relaxes the commonly used approximation of an infinite number of fermion species and works with a finite number of fermions? In short: Is matter (in the GN model) in a single spatial dimension at non-zero temperature always gas-like?
In general, we also use the GN model to learn about the correct description of QFTs at non-zero temperatures and densities. This is of utmost relevance for model calculations in low-energy quan- tum chromodynamics (QCD) or other QFTs in medium and we draw several conclusions for the requirements for stable calculations at non-zero chemical potential.
Investigation of the kinematics involved in compton scattering and hard X-ray photoabsorption
(2023)
The present work investigates the kinematics of Compton scattering at gaseous, internally-cool helium and molecular nitrogen targets in the high- and the low-energy regime. Additionally, photoionization at molecular nitrogen with high-energy photons is investigated. These exeprimental regimes were previously inaccessible due to the extremely small cross sections involved. Nowadays, the third- and fourth-generation synchrotron machines produce sufficient photon flux, enabling the investiagtion of the above processes. The utilized cold-target recoil-ion momentum spectroscopy (COLTRIMS) technique further increases the detection efficiency of the observed processes, since it enables full-solid-angle detection by exploiting momentum conservation.
Compton scattering is investigated at both high (helium and N2) and low (helium) photon energies. In the high-energy regime, the impulse approximation is mostly valid, which is not the case for the low-energy regime. The impulse approximation assumes that the Compton-scattering process takes place at a free electron with a momentum distribution as if it was bound, thus ignoring the binding energy of the system. In the low-energy regime, the impulse approximation is not valid.
Photoionization is investigated at high photon energies, where the linear momentum of the photon cannot be neglected, as is the fashion of the commonly used dipole approximation.
Magnetische Quadrupole und Solenoide sind ein elementarer Bestandteil einer Beschleunigeranlage und begrenzen die transversale Ausdehnung eines Teilchenstrahls durch eine Reflexion der Teilchen in Richtung der Beschleunigerachse. Die konventionelle Bauweise als Elektromagnet besteht aus einem Eisenjoch welches mit Spulen umwickelt ist. In dieser Arbeit werden diese Magnetstrukturen auf Basis von Permanentmagneten designt und hinsichtlich ihrer Qualität zum Strahltransport optimiert, sowie Feldmessungen an permanentmagnetischen Quadrupolen durchgeführt. Diese wurden mit 3D-gedruckten Halterungen aus Kunststoff gefertigt, was eine Vielzahl von Formvariationen ermöglicht. Darauf aufbauend wurde ein im Vakuum befindlicher Aufbau entwickelt, mit welchem die Strahlenvelope im inneren eines permanentmagnetischen Quadrupol Tripletts diagnostiziert werden kann. Dies greift auf ein am Institut für angewandte Physik entwickeltes System zur nicht-invasiven Strahldiagnose mithilfe von Raspberry Pi Einplatinencomputern und Kameras in starken Magnetfeldern zurück.
Die in dieser Arbeit vorgestellte Konfiguration eines PMQ’s ist eine Weiterentwicklung des am CERN im Linac4, einem Alvarez-Driftröhrenbeschleuniger zur Beschleunigung von H– , verwendeten Designs. Bei diesem sind je acht quaderförmige Permanentmagnete aus Samarium Cobalt (SmCo) in die Driftröhren des Beschleunigers integriert.
Darauf aufbauend wurden die geometrischen Designparameter hinsichtlich ihres Einflusses auf die Qualität des Magnetfelds untersucht. In einem magnetischen Quadrupol zur Strahlfokussierung wird dies durch einen linearen Anstieg des Magnetfeldes von Quadrupolachse zu Polflächen charakterisiert. Das Design wurde im Zuge dessen zur Verwendung von industriellen Standardgeometrien von Quadermagneten und der Erhöhung der magnetischen Flussdichte erweitert. Dazu wurde untersucht wie sich das Hinzufügen von zusätzlichen Magneten auswirkt und ob eine bessere Feldqualität durch andere Magnetformen erreicht wird.
Die Kombination mehrerer PMQ in geringem Abstand (<10 mm) führt abhängig von der Geometrie der PMQ-Singlets zu einer erheblichen Verschlechterung der Feldlinearität, was eine Erhöhung des besetzten Phasenraumvolumens der Teilchen nach sich zieht.
Am Beispiel von PMQ-Tripletts werden die zu beachtenden Designparameter analysiert und Lösungsansätze vorgestellt. Die auftretenden Effekte werden anhand von Strahldynamiksimulation veranschaulicht. Für eine Anwendung der vorgestellten Designs wurde eine Magnethülle mit einer Wabenstruktur zur Aufnahme der Einzelmagnete entwickelt. Diese besteht aus zwei Halbschalen, welche jeweils den Kompletteinschluss aller Magnete garantiert und eine einfache Montage um ein Strahlrohr ermöglicht. Diese wurden in der Institutswerkstatt aus Kunststoff via 3D-Druck gefertigt. Aufgrund der höheren erreichbaren Magnetisierung wurden Neodym-Eisen-Bor-Magnete (Nd2F14B, Br =1,36 T) für den Bau der entwickelten Strukturen verwendet. Für eine Magnetfeldmessung zur Bestätigung der magnetostatischen Simulationen und einer Bewertung der Druckqualität wurde eine motorisierte xyz-Stage zur Bewegung einer Hallsonde aufgebaut. Die Messungen zeigen eine gute Zentrierung des Magnetfeldes, sodass PMQ mit einer Kunststoffhalterung eine schnelle und billige Möglichkeit sind, kurzfristig eine Quadrupol-Konfiguration aufzubauen. Die Kosten belaufen sich für einen einzelnen PMQ je nach Länge auf 50€ bis 100€.
Basierend auf der PMQ-Struktur wurde ein PMQ-Triplett in ein Vakuum versetzt und mit Raspberry Pi Kameras im Zwischenraum der Singlets ausgestattet. Dies ermöglichte die Aufnahme der Strahlenvelope innerhalb des Tripletts anhand der durch einen Heliumstrahl induzierten Fluoreszenz und erste Erkenntnisse für notwendige Weiterentwicklungen wurden gesammelt. Auf den genauen technischen Aufbau wird im abschließenden Kapitel der Arbeit detailliert eingegangen.
In der einfachsten Form wird ein PM-Solenoid anhand eines einzelnen axial magnetisierten Hohlzylinders realisiert und erzeugt näherungsweise die Feldverteilung einer Zylinderspule. Durch die radialen Magnetfeldkomponenten an den Rändern des Solenoiden erhalten Teilchen eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente und führen eine Gyrationsbewegung entlang der Solenoidachse aus. Diese reduziert den Strahlradius und die Teilchen behalten eine Geschwindigkeitskomponente, welche zur Solenoidachse zeigt. Für eine Maximierung dieser Fokussierung muss das Magnetfeld auf die Zylinderachse konzentriert werden. Insbesondere bei einer Verlängerung des Hohlzylinders wird die Kopplung der Polflächen über das Innenvolumen abgeschwächt. Aufgrund dessen wurde ein Design bestehend aus drei Hohlzylindersegmenten entwickelt. Dieses setzt sich aus zwei radial und einem axial magnetisierten Hohlzylinder zusammen und erhöht die mittlere magnetische Flussdichte für ausgewählte Geometrien um einen Faktor zwei im Vergleich zu einem einzelnen Hohlzylinder gleicher Geometrie. Dies ist gleichzusetzen mit einer Vervierfachung der Fokussierstärke, welche quadratisch mit der mittleren magnetischen Flussdichte skaliert. Die Strahldynamischen Konsequenzen werden anhand von Simulationen mit generierten Magnetfeldverteilungen erläutert. Für eine kostengünstige Bauweise wurde eine Design basierend auf quaderförmigen Magneten entwickelt.
Es wurde das Leitfähigkeitsverhalten von reinem, lufthaltigem Wasser bei kontinuierlicher und impulsgetasteter Röntgenbestrahlung (60 kV8) untersucht. Hierbei ergaben sich zwei einander überlagerte Effekte: 1. Ein der Röntgen-Dosisleistung proportionaler irreversibler Leitfähigkeitsanstieg, der vermutlich auf eine Strahlenreaktion des gelösten CO2 zurückzuführen ist, 2. eine reversible Leitfähigkeitserhöhung während der Bestrahlung, die sich mit der Entstehung einer Ionenart mit einer mittleren Lebensdauer von ca. 0,15 sec erklären läßt. Es wird angenommen, daß es sich dabei um Radikalionen O2⊖ handelt, welche durch die Reaktion der als Strahlungsprodukt entstehenden Η-Radikale mit dem gelösten Sauerstoff gebildet werden. Ein möglicher chemischer Reaktionsmechanismus wird angegeben, der zu befriedigender quantitativer Übereinstimmung der Versuchsergebnisse mit Ausbeutewerten und Reaktionskonstanten aus der Literatur führt.
Neutron stars are unique laboratories for the investigation of the high density properties of bulk matter. In this work, the astrophysical constraints for a phase transition from hadronic matter to deconfined quark matter are examined thoroughly. A scheme for relating known astrophysical observables such as mass, radius and tidal deformability to the parameter space of such a transition is devised and applied to the set of data currently available.
In order to span a wide parameter space, a highly parameterizable relativistic mean field equation in compliance with chiral effective field theory results is used, where the stiffness of the equation of state can be varied via the effective mass at saturation density. The phase transitions are modelled using a Maxwell construction and assumed to be of first order, with a constant speed of sound quark matter model. The resulting equations of state are analyzed and divided into four categories, which can be used to constrain the parameter space that allows phase transition. It is highlighted, that a subset of this parameter space would even be detectable without the need of higher precision measurements. A phase transition at high densities is shown to be particularly promising in this regard. Finally, the groundwork is laid to apply the equation of state used in this work for supernova or merger simulations, by extending it to non-zero temperatures.
In order to understand the origin of the elements in the universe, one must understand the nuclear reactions by which atomic nuclei are transformed. There are many different astrophysical environments that fulfill the conditions of different nucleosynthesis processes. Even though great progress has been made in recent decades in understanding the origin of the elements in the universe, some questions remain unanswered. In order to understand the processes, it is necessary to measure cross sections of the involved reactions and constrain theoretical model predictions. A variety of methods have been developed to measure nuclear reaction cross sections relevant for nuclear astrophysics. In this thesis, two different experiments and their results, both using the well-established activation method, are presented.
A measurement of the proton capture cross section on the p-nuclide 96Ru was performed at the Institute of Structure and Nuclear Astrophysics ISNAP - Notre Dame, USA. The main goal of this experiment was to compare the results with those obtained by Mei et al. in a pioneering experiment using the method of inverse kinematics at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH - Darmstadt, Germany. Therefore, the activations were taken out at the same center of mass energies of 9 MeV, 10 MeV and 11 MeV. Another activation was taken out at an energy of 3.2 MeV to compare the result to a measurement of Bork et al. who also used the activation method. While the results at 3.2 MeV agree quite well with those of Bork et al., the results at higher energies show significantly smaller cross sections than those measured by Mei et al.. Experimental details, the data analysis and sources of uncertainties are discussed.
The second part of this thesis describes a neutron capture cross section experiment. At the Institut für Kernphysik - Goethe Universtität Frankfurt an experimental setup allows to produce quasi maxwell-distributed neutron fields to measure maxwell-averaged cross sections (MACS) relevant for s-process nucleosynthesis. The setup was upgraded by a fast electric linear guide to transport samples from the activation to the detection site. The cyclic activation of the sample allows to increase the signal-to-noise ratio and to measure neutron captures that lead to nuclei with
half-lives on the order of seconds. In a first campaign, MACS of the reactions 51V(n,γ), 107,109Ag(n,γ) and 103Rh(n,γ) were measured. The new components of the setup aswell as the data analysis framework are described and the results of the measurements are discussed.
We study the polarization of relativistic fluids using the relativistic density operator at global and local equilibrium. In global equilibrium, a new technique to compute exact expectation values is introduced, which is used to obtain the exact polarization vector for fields of any spin. The same result has been extended to the case of massless fields. Furthermore, it is demonstrated that at local equilibrium not only the thermal vorticity but also the thermal shear contribute to the polarization vector. It is shown that assuming an isothermal local equilibrium, the new term can solve the polarization sign puzzle in heavy ion collisions.
Terahertz (THz) radiation lies between the micro and far-infrared range in the electromagnetic spectrum. Compared with microwave and millimeter waves, it has a larger signal bandwidth and extremely narrow antenna beam. Thus, it is easier to achieve high-resolution for imaging and detection applications. The unique properties, such as penetration for majority non-polar materials, non-ionizing characteristic and the spectral fingerprint of materials, makes THz imaging an appealing artifice in the military, biomedical, astronomical communications, and other areas. However, THz radiation’s current low power level and detection sensitivity block THz imaging system from including fewer optical elements than the visible or infrared range. This leads to imaging resolution, contrast, and imaging field of view degenerate and makes the aberration more serious. THz imaging based on the space Fourier spectrum detection is developed in this thesis to achieve high-quality imaging. The main concept of Fourier imaging is by recording the field distribution in the Fourier plane (focal plane) of the imaging system; the information of the target is obtained. The numerical processing method is needed to extract the amplitude and phase information of the imaged target. With additional process, three-dimensional (3D) information can be obtained based on the phase information. The novel recording and reconstructing ways of the Fourier imaging system enables it to have a higher resolution, better contrast, and broader field of view than conventional imaging systems such as microscopy and plane to plane telescopic imaging system.
The work presented in this thesis consists of two imaging systems, one is working at 300 GHz based on the fundamental heterodyne detection of the THz radiation, the other is operated at 600 GHz by utilizing the sub harmonic heterodyne detection technique. The realization and test of the heterodyne detection are based on the THz antenna-coupled field-effect transistor (TeraFET) detector developed by Dr. Alvydas Lisauskas. Both systems use two synchronized electronic multiplier chains to radiate the THz waves. One radiation works as the local oscillator (LO), the other works as illumination with a slight frequency shift, the radiations are mixed on the detector scanning in the Fourier plane to record the complex Fourier spectrum of the imaged target. The LO has the same frequency range as the illuminating radiation for fundamental heterodyne detection but half the frequency range for the sub-harmonic heterodyne detection. The 2-mm resolution, 60-dB contrast, and 5.5-cm diameter imaging area at 300 GHz and the of 500-μm resolution, 40-dB contrast, and 3.5-cm diameter imaging area at 600 GHz are achieved (the 300-GHz illuminating radiation has the approximate power of 600 μW , the 600-GHz illuminating radiation has the approximate power of 60 μW ).
The thesis consists of 6 parts. After the introduction, the second chapter expands on the topic of Fourier optics from a theoretical point of view and the simulations of the Fourier imaging system. First, the theory of the electromagnetic field propagation in free space and through an optical system are investigated to elicit the Fourier transform function of the imaging system. The simulation is used for theoretical considerations and the implementation of a Fourier optic script that allows for numerical investigations on reconstruction. The preliminary imaging field of view and resolution are also demonstrated. The third chapter describes the Fourier imaging system at 300 GHz based on the fundamental heterodyne detection, including the experimental setup, the 2D, and 3D imaging results. The following fourth chapter reports the integration of the TeraFET detector with two substrate lenses (one is a Si lens on the back-side Si substrate, the other is a wax/PTFE lens on the front side containing the bonding wires) for sub-harmonic heterodyne detection at 600 GHz. The characteristic of the wax/PTFE lens at THz range is presented. After that, the compared imaging results between the detector with and without the wax/PTFE lens are shown. The fifth chapter extends the demonstration on the lateral and depth resolution of the Fourier imaging system in detail and uses the experimental results at 600 GHz to validate the analytical predictions. The comparison of the resolution between the Fourier imaging system and the conventional microscopy system proves that the Fourier imaging system has better imaging quality under the same system configuration. The last chapter in this thesis concludes on the findings of the THz Fourier imaging and gives an outlook for the enhancement of the Fourier imaging system at THz range.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Transporteigenschaften inklusive Ladungsträgerdynamik von quasi-zweidimensionalen organischen Ladungstransfersalzen. Diese Materialien besitzen eine Schichtstruktur und weisen eine hohe Anisotropie der elektrischen Leitfähigkeit auf. Aufgrund der geringen Bandbreite und der niedrigen Ladungsträgerkonzentration gehören die Materialien zu den stark-korrelierten Elektronensystemen, wobei sich die elektronischen Eigenschaften leicht durch chemische Modifikationen oder äußere Parameter beeinflussen lassen. Die starken Korrelationen resultieren in Metall-Isolator-Übergängen, die sich beim Mott-isolierenden Zustand in einer homogenen Verteilung und beim ladungsgeordneten Zustand in einer periodischen Anordnung der lokalisierten Ladungsträger manifestieren.
Mithilfe der Fluktuationsspektroskopie, die sich mit der Analyse der zeitabhängigen Widerstandsfluktuationen befasst, konnten im Rahmen dieser Arbeit neue Erkenntnisse über die Ladungsträgerdynamik in den verschiedenen elektronischen Zuständen gewonnen werden. Die Metall-Isolator-Übergänge in den untersuchten Systemen, die auf den Molekülen BEDT-TTF (kurz: ET) bzw. BEDT-TSF (kurz: BETS) basieren, sind von der Stärke der strukturellen Dimerisierung abhängig und wurden durch die Kühlrate, eine Zugbelastung sowie durch die Ausnutzung des Feldeffekts beeinflusst.
In den Systemen κ-(BETS)₂Mn[N(CN)₂]₃, κ-(ET)₂Hg(SCN)₂Cl und κ-(ET)₂Cu[N(CN)₂]Br sind die Donormoleküle als Dimere angeordnet, sodass aufgrund der effektiv halben Bandfüllung bei genügender Korrelationsstärke häufig ein Mott-Übergang auftritt. In κ-(ET)₂Hg(SCN)₂Cl führt eine schwächere Dimerisierung jedoch zu einem Ladungsordnungsübergang, der mit elektronischer Ferroelektrizität einhergeht. Dabei wird die polare Ordnung durch eine Ladungsdisproportionierung innerhalb der Dimere verursacht. Die Widerstandsfluktuationen zeigen am ferroelektrischen Übergang einen starken Anstieg der spektralen Leistungsdichte, eine Abhängigkeit vom angelegten elektrischen Feld sowie Zeitabhängigkeiten, die auf räumliche Korrelationen der fluktuierenden Prozesse hindeuten. Diese Eigenschaften wurden ebenfalls für das System κ-(BETS)₂Mn[N(CN)₂]₃ beobachtet. Hierbei wurden mithilfe der dielektrischen Spektroskopie ebenfalls Hinweise auf Ferroelektrizität gefunden, während durch die Analyse der stromabhängigen Widerstandsfluktuationen die Größe der polaren Regionen abgeschätzt werden konnte. Das System κ-(ET)₂Cu[N(CN)₂]Br, das in einer Feldeffekttransistor-Struktur vorliegt, erlaubt neben der Untersuchung des Bandbreiten-getriebenen Mott-Übergangs durch die Zugbelastung eines Substrats auch die Beeinflussung der elektronischen Eigenschaften durch die Änderung der Bandfüllung mittels elektrostatischer Dotierung. Hierbei wurden starke Abhängigkeiten des Widerstands von der Gatespannung beobachtet und Ähnlichkeiten der Ladungsträgerdynamik zu herkömmlichen Volumenproben gefunden.
Bei den Systemen θ-(ET)₂MM'(SCN)₄ mit MM'=CsCo, RbZn, TlZn tritt ein Ladungsordnungsübergang auf, der eine starke Abhängigkeit von der Kühlrate zeigt. Durch schnelles Abkühlen lässt sich der Phasenübergang erster Ordnung kinetisch vermeiden, wodurch ein Ladungsglaszustand realisiert wird. Dieser metastabile Zustand zeigt neuartige physikalische Eigenschaften mit Ähnlichkeiten zu herkömmlichen Gläsern und wurde als Folge der geometrischen Frustration der Ladung auf einem Dreiecksgitter diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Ladungsträgerdynamik in den verschiedenen Ladungszuständen von unterschiedlich frustrierten Systemen verglichen werden. Zur Realisierung sehr schneller Abkühlraten wurde dafür eine Heizpulsmethode verwendet und weiterentwickelt. Der Ladungsglaszustand zeigte dabei für verschiedene Systeme ein deutlich niedrigeres Rauschniveau als der ladungsgeordnete Zustand. In Kombination mit Messungen der thermischen Ausdehnung und kühlratenabhängiger Transportmessungen wurde in den Systemen mit der stärksten Frustration die Existenz eines strukturellen Glasübergangs nachgewiesen, der von einer starken Verlangsamung der Ladungsträgerdynamik begleitet wird. Diese Erkenntnisse werfen ein neues Licht auf die bisherige rein elektronische Interpretation des Ladungsglaszustands und heben den Einfluss der strukturellen Freiheitsgrade hervor.
This work ties in with the investigation of the intermediate valent states and valence fluctuations in certain europium based intermetallic systems. Valence fluctuations are a property of the electronic system of a compound that is possibly accompanied by structural effects, which, in some cases, are quite noticable. By assuming how the changes in the electronic system and in the crystal lattice are connected, valence _uctuations of europium are believed to be a possible probe for the theory of quantum critical elasticity, which is investigated on by the SFB TRR 288 (Frankfurt, Mainz, Karlsruhe, Bochum, Dresden).
Here, the proceedings in growing single crystals of di_erent compounds related to this _eld of research are reported. This includes the ThCr2Si2 (122) type compounds EuPd2Si2 as well as the doping series EuPd2(Si1-xGex)2, the Europium based ternary Phosphides EuFe2P2, EuCo2P2, EuNi2P2 and EuRu2P2, and attempts to grow compounds of a derived 1144 structure by ordered substitution of half the Europium, EuKRu4P4.
The largest part of this work focusses on the EuPd2Si2 system, which exhibits intermediate valent europium and a temperature dependent transition between two di_erent intermediate valent states of europium. Crystals of this system were grown using the Czochralski method with a levitating melt and an europium excess flux after a two step prereaction process. Also, explorations of a PdSi-rich flux and external flux methods are reported. Ten Czochralski grown experiments, in six generations iteratevely seeded by the previous generation, were prepared.
Thermodynamical and structural analyses of the crystals located the transition between the di_erent intermediate valent states of europium between 140K and 165 K, transitioning from a high temperature Eu2.3+ state to a low temperature Eu2.7+ state, and classified it as a second order transition. To this transition a lattice anomaly of the a-parameter collapsing about 2% is connected, while the c-parameter remains largely unaffected. Large differences between individual samples can be explained by combining thermodynamical and structural analyses with compositional analysis, revealing the valence transition temperature as strongly dependent on the sample composition and Pd-Si site interchanges.
Searching to change the character of the valence transition to first order, silicon was substituted by germanium to introduce negative pressure. Germanium substituted samples of EuPd2(Si1-xGex)2 were grown using the Czochralski method with the optimized parameters from the growth experiments for the undoped compound. Samples were prepared with a nominal substitution of x = 0.05, x = 0.10, x = 0.15, x = 0.20 (twice) and x = 0.30. For the EuPd2(Si1-xGex)2 system, a phase diagram for the europium valence states is derived from chemical and thermodynamical characterizations.
n ternary europium phosphides EuT2P2, the position of the compounds in the generalized phase diagram and the question of long range magnetic order or valence transition appear connected to an isostructural transition of the tetragonal crystal structure, drastically decreasing the length of the c-parameter while establishing covalent bonds between phosphorus atoms of different interlayers of the structure, the so called ‚collapse‘. While EuFe2P2, EuT2P2 and EuCo2P2 display both long range magnetic order and a non-collapsed crystal structure, EuNi2P2 shows both a valence transition between two intermediate valent states at a characteristic temperature of 36K - accompanied by a small lattice anomaly of the a-parameter shrinking about 0.2% - and a collapsed crystal structure. Samples of EuFe2P2, EuCo2P2 and EuNi2P2 were grown in tin flux and using solid-solid sintering approaches.
Single crystals of EuFe2P2, EuCo2P2 and EuRu2P2 were investigated at ESRF in Grenoble with single crystal X-ray di_ractometry on a pressure range up to 15GPa and at temperatures down to 15K to investigate the nature of the structural transitions in the compounds. While in EuCo2P2 the structural transition occurs as a transition of first order at all temperatures (e.g. at 2GPa for 15 K), in EuFe2P2 and EuRu2P2 the structural collapse evolves over a broad pressure range up to 8GPa and as a transition of second order troughout the temperature ranges, albeit seeming to sharpen at lower temperatures. From the crystallographic data, elastic constants of the compounds could be derived, revealing EuFe2P2 and EuRu2P2 as unexpectedly elastic materials.
In order to probe the structural collapse at more accessible pressures, crystals with a sturcture derived from the 122 structure, but with ordered 50% substitution of europium and hence altering the symmetry from I4/mmm to P4/mmm in a 1144 structure, were exploratively pursued. Different experiments to obtain EuAT4P4 (with A = K, Rb, Cs and T = Fe, Ru) from binary or ternary prereactants or directly from the elements remained largely unsuccessful.
High-resolution, compactness, scalability, efficiency – these are the critical requirements which imaging radar systems have to fulfil in applications such as environmental monitoring, cloud mapping, body sensing or autonomous driving. This thesis presents a modular millimetre-wave frequency modulated continuous-wave (FMCW) radar front-end solution intended for such applications. High-resolution is achieved by enlarging the operating frequency band of the radar system. This can be realized at millimetre-wave frequencies due to the large spectrum availability. Furthermore, the size of components decreasing with increasing frequency makes millimetre-wave systems a good candidate for compactness. However, the full integration of radar front-ends is a challenge at millimetre-wave frequencies due to poor signal integrity and spectral purity, which are essential for imaging applications. The proposed radar uses an alternative technique and tackles this limitation by featuring highly-integrable architectures, specifically the Hartley architecture for signal conversion and enhanced push-pull amplifier for harmonic suppression. The resolution of imaging radars can be further improved by increasing the number of transmitters and receivers. This has spurred the investigation of spectrum, time and energy-efficient multiplexing techniques for multi-input multi-output (MIMO) radar systems. The FMCW radar architecture proposed in this thesis is based on code-division technique using intra-pulse, also called intra-chirp modulation. This advanced scalable and non-complex solution, made possible by the latest achievements on direct digital synthesis for signal generation, guarantees signal integrity and compact size implementation. The proposed architecture is investigated by a thorough system analysis. A transmitter module and a receiver module for a 35 GHz imaging radar prototype are designed, fabricated and fully characterized to validate the feasibility of our novel approach for high-resolution highly-integrated MIMO front-ends.
Simulations of conformational changes and enzyme-substrate interactions in protein drug targets
(2022)
Finding new drugs is a difficult, time-consuming, and costly challenge, with only a small success rate along the drug discovery pipeline of far less than 10%. The high failure rate of drug discovery projects motivates the integration of computational tools throughout the whole drug discovery pipeline, from target identification to clinical trials. Target identification is the first step in the process. A biological target, e.g., a protein that plays a role in disease, is identified and its molecular mechanism in the disease is studied. Further, a potential binding site on the target, where therapeutic molecules can bind and modulate the target’s activity, needs to be characterized. Computational tools can contribute to improving the initial molecular target elucidation and assessment.
In this thesis, I use computational, physics-based approaches to characterize binding sites of drug targets and to decipher enzyme-substrate interactions, which play a role in disease mechanisms. Molecular dynamics (MD) simulations were applied to study the dynamics of molecules in solution at high temporal and spatial resolution. The method generates time-resolved trajectories of the particles in a system of interest by integrating Newton’s equations of motion numerically, starting from a set of coordinates and velocities. In MD simulations, all atoms of a chosen system, including solvent, are represented explicitly. Atomistic simulations are especially well-suited to study detailed interactions that depend on intermolecular interactions, such as hydration effects, hydrogen bonding, hydrophobic interactions, or subtle chemical differences. System properties are inferred from the trajectories, provided that the force fields, describing the interactions between the particles in the system, have a high accuracy. The bonded and non-bonded interactions are parametrized on experimental and quantum chemical data. The purpose of MD simulations can be to gain insight into the behavior of complex biological systems at molecular level, which often cannot be observed in experiments at the same resolution. With recent advances in computer hardware and simulation software, molecular systems of increasing size and simulation length can be investigated.
In the first part of the thesis, I investigated the conformational ensemble of various protein drug targets. Proteins are dynamic biomacromolecules that can have diverse and nearly isoenergetic conformational states. Ligand binding can shift the equilibrium of this conformational ensemble and can uncover binding sites, called cryptic sites. Cryptic sites only emerge upon small molecule binding and are often flat and featureless, and thus not easily recognized in crystal structures without bound ligands. If new binding sites including cryptic sites are detected, they can potentially be exploited for binding to ligands and enable a druggable target. Druggability is the ability of a protein to bind small, drug-like molecules, which is the basis for rational drug design. In this thesis, I used state-of-the-art physics-based, computational approaches to investigate the conformational ensembles of binding sites. In all studied systems, it is known from experiment that a specific group of ligands can induce conformational changes. The aim is to sample the conformational space made accessible upon ligand binding, yet without using the specific ligand structures or details about their interactions. We are interested in sampling the
pocket conformational states and identifying the respective pocket opening mechanism. For some cases, I additionally assessed whether the observed flexibility is a feature of the protein family, or specific to the protein under consideration.
The first studied system is factor VIIa (FVIIa). FVIIa is an essential part of the coagulation cascade and hence a potential drug target for thrombotic diseases. In addition, I investigated various other trypsin-like serine proteases from the same protein family. The binding pocket of trypsin-like serine proteases is called S1 pocket. An X-ray crystal structure solved by our collaborators reveals that a b-sheet structure in the S1 pocket is distorted by a bound ligand. I resolved the conformational change with MD simulations, starting from the unbound protein structure solvated in water and ions. I observed multiple spontaneous transition events. In 7 out of 22 simulations with the b-sheet as starting structure, the S1 pocket eventually rearranged into a distorted loop structure. These transitions occurred spontaneously and were mediated by water molecules probing the backbone hydrogen bonds. The conformational change studied here controls the onset of substrate binding and catalysis. Furthermore, I used metadynamics simulation, an enhanced-sampling method, to estimate the free energy barrier of this conformational change..
This thesis has two main parts.
The first part is based on our publication [1], where we use perturbation theory to calculate decay rates of magnons in the Kitaev-Heisenberg-Γ (KHΓ) model. This model describes the magnetic properties of the material α-RuCl 3 , which is a candidate for a Kitaev spin liquid. Our motivation is to validate a previous calculation from Ref. [2]. In this thesis, we map out the classical phase diagram of the KHΓ model. We use the Holstein-Primakoff
transformation and the 1/S expansion to describe the low temperature dynamics of the Kitaev-Heisenberg-Γ model in the experimentally relevant zigzag phase by spin waves. By parametrizing the spin waves in terms of hermitian fields, we find a special parameter region within the KHΓ model where the analytical expressions simplify. This enables us to construct the Bogoliubov transformation analytically. For a representative point in the special parameter region, we use these results to numerically calculate the magnon damping, which is to leading order caused by the decay of single magnons into two. We also calculate the dynamical structure factor of the magnons.
The second part of this thesis is based on our publication [3], where we use the functional renormalization group to analyze a discontinuous quantum phase transition towards a non-Fermi liquid phase in the Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) model. In this thesis, we perform a disorder average over the random interactions in the SYK model. We argue that in the thermodynamic limit, the average renormalization group (RG) flow of the SYK model is identical to the RG flow of an effective disorder averaged model. Using the functional RG, we find a fixed point describing the discontinuous phase transition to the non-Fermi liquid phase at zero temperature. Surprisingly, we find a finite anomalous dimension of the fermions, which indicates critical fluctuations and is unusual for a discontinuous transition. We also determine the RG flow at zero temperature, and relate it to the phase diagram known from the literature.
The stellar nucleosynthesis of elements heavier than iron can primarily be attributed to neutron capture reactions in the s and r process. While the s process is considered to be well understood with regards to the stellar sites, phases and conditions where it occurs, nucleosynthesis networks still need accurate neutron capture cross sections
with low uncertainties as input parameters. Their quantitative outputs for the isotopic abundances produced in the s process, coupled with the observable solar abundances, can be used to indirectly infer the expected r process abundances. The two stable gallium isotopes, 69Ga and 71Ga, have been shown in sensitivity studies to have considerable impact on the weak s process in massive stars. The available experimental data, mostly derived from neutron activation measurements for quasi-stellar neutron spectra at kBT = 25 keV, show disagreements up to a factor of three.
Determining the differential neutron capture cross section can provide input data for the whole range of astrophysically relevant energies. To that end, a neutron time of flight experimental campaign at the n_TOF facility at CERN was performed for three months, using isotopically enriched samples of both isotopes. The data taken at the EAR1 experimental area covered a wide neutron energy range from thermal to several hundred keV. The respective differential and spectrum averaged neutron capture cross sections for 69Ga and 71Ga were determined in this thesis. They show good agreement with the evaluated cross sections for 71Ga, but reproduce the deviations from the evaluated data that other, more recent activation measurements showed for 69Ga.
Die vorliegende Arbeit präsentiert Forschungsarbeiten basierend auf nanoskopischen Oberflächenmessungen an plasmonischen Metaoberflächen und zweidimensionalen Materialien, insbesondere dem halbleitenden Übergangsmetal-Dichalcogenid (TMDC) WS_2. Die Thesis ist in sieben Kapitel untergegliedert. Die Einleitung vermittelt einen Überblick über die treibenden Kräfte hinter der Forschung im Bereich der Nanophotonik an zweidimensionalen Materialsystemen. Die Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung an dünnen Materialgrenzflächen zieht sich als roter Faden durch die gesamte Arbeit.
Das zweite Kapitel beschreibt den experimentellen Aufbau, der für die Durchführung der nanoskopischen Messungen in dieser Arbeit implementiert wurde. Es werden theoretische Grundlagen, das Messprinzip und die Implementierung des optischen Rasternahfeldmikroskops (s-SNOM) skizziert. Außerdem wird ein Strom-Spannungs-Rasterkraftmikroskop (c-AFM) im Kontaktmodus genutzt, um elektrische Ströme auf mikroskopischen zweidimensionalen TMDC-Terrassen zu messen. In den darauffolgenden vier Kapiteln werden die Beiträge dieser Arbeit zur Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung auf der Nanoskala aus verschiedenen Perspektiven vorgestellt. Jedes Kapitel enthält eine kurze Einleitung, einen Theorieteil, Messdaten oder Simulationsergebnisse sowie eine Analyse; vervollständigt durch einen Schlussteil.
Die zentrale Arbeit an einer metallischen Metaoberfläche aus elliptischen Goldscheiben wird in Kapitel 3 vorgestellt. Der zugehörige Theorieteil führt in das Konzept von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPP) ein, das für den Forschungsbereich der Plasmonik im Allgemeinen wesentlich ist. Verschiedene Methoden zur Berechnung der Dispersionsrelation dieser Oberflächenmoden an ein- und mehrschichtigen Grenzflächen werden auf die untersuchte Metaoberflächenprobe angewendet. Das Modell sagt drei verschiedene Moden voraus, die sich an der Grenzfläche ausbreiten. Eine teil-gebundene ins Substrat abstrahlende Oberflächenmode sowie zwei vergrabene stark gebundene anisotrope Moden. Eine auf der Probe platzierte Nanokugel aus Silizium wird als radiale Anregungsquelle verwendet.
Der Vergleich mit s-SNOM-Nahfeldbildern zeigt, dass nur die schwach gebundene geführte Modenresonanz ausreichend angeregt wurde, um durch s-SNOM-Bildgebung nachgewiesen werden zu können. Die schwache Oberflächenbindung erklärt die scheinbar isotrope Ausbreitung auf der anisotropen Oberfläche. Die Beobachtung der verbleibenden stark eingegrenzten anisotropen vergrabenen Moden würde eine verbesserte tiefenempfindliche Auflösung des Systems erfordern, die im Prinzip für Schichtdicken von 20 nm möglich sein sollte. Darüber hinaus wirft die Beobachtung die Frage auf, ob die durch Impuls- und Modenvolumenanpassung der Nanokugel gegebene Anregungseffizienz einen ausreichenden Anregungsquerschnitt erzeugt, um nachweisbare vergrabene SPP-Moden zu erzeugen.
In Kapitel 4 wird die Idee der Visualisierung vergrabener elektrischer Felder mit s-SNOM fortgesetzt. Hier wird es auf die Untersuchung von WS_2 angewendet, einem zweidimensionalen TMDC-Material, welches Photolumineszenz zeigt. Durch die Strukturierung des Galliumphosphid-Substrats unter der hängenden Monolage, die von einer dünnen Schicht aus hBN getragen wird, wird die Photolumineszenzausbeute um den Faktor 10 erhöht. Dies wird durch den Entwurf einer lateralen DBR-Mikrokavität mit zusätzlich optimierter vertikaler Tiefe erreicht, die in das Substrat geätzt wurde.
Die hochauflösende Abbildung der elektrischen Feldverteilung im Resonator wird durch den Einsatz von s-SNOM ermöglicht, um die Verbesserung der Einkopplung durch diese beiden Ansätze zu bewerten. Es konnte festgestellt werden, dass die laterale Struktur überwiegend zur verstärkten Photolumineszenzausbeute beiträgt, während für die Einkopplung keine offensichtliche Verstärkung auf die vertikale Strukturoptimierung zurückgeführt werden konnte.
Das zweidimensionale Material WS_2 wird in Kapitel 5 erneut mit Hilfe von c-AFM untersucht. Unterschiedlich dicke Multilagen auf Graphen und Gold dienen als Tunnelbarrieren für vertikale Ströme zwischen Substrat und leitender c-AFM-Messpitze. Die Daten können mit einem Fowler-Nordheim-Modell mit Parametern für die Tunnelbreite und Schottky-Barrierenhöhen der beiden Grenzflächen erklärt werden. Die Messungen zeigen jedoch eine schwache Reproduzierbarkeit, was eine detailliertere Zusammenfassung der relevanten Fehlerquellen erfordert. In der Schlussfolgerung des Kapitels werden mehrere Schlüsselaspekte vorgeschlagen, die bei künftigen Messungen berücksichtigt werden sollten. Entscheidend ist, dass c-AFM sehr empfindlich auf die Adsorption von Wasserfilmen an der Probenoberfläche reagiert, worunter WS_2-Oberflächen unter Umgebungsbedingungen leiden...
Navigating a complex environment is assumed to require stable cortical representations of environmental stimuli. Previous experimental studies, however, show substantial ongoing remodeling at the level of synaptic connections, even under behaviorally and environmentally stable conditions. It remains unclear, how these changes affect sensory representations on the level of neuronal populations during basal conditions and how learning influences these dynamics.
Our approach is a joint effort between the analysis of experimental data and theory. We analyze chronic neuronal population activity data – acquired by out collaborators in Mainz – to describe population activity dynamics during basal dynamics and during learning (fear conditioning). The data analysis is complemented by the analysis of a circuit model investigating the link between a neural network’s activity and changes in its underlying structure.
Using chronic two-photon imaging data recorded in awake mouse auditory cortex, we reproduce previous findings that responses of neuronal populations to short complex sounds typically cluster into a near discrete set of possible responses. This means that different stimuli evoke basically the same response and are thus grouped together into one of a small set of possible response modes. The near discrete set of response modes can be utilized as a sensitive and robust means to detect and track changes in population activity over time. Doing so we find that sound representations are subject to a significant ongoing remodeling across the time span of days under basal conditions. Auditory cued fear conditioning introduces a bias into these ongoing dynamics, resulting in a differential generalization both on the level of neuronal populations and on the behavioral level. This means that sounds that are perceived similar to the conditioned stimulus (CS+) show an increased co-mapping to the same response mode the CS+ is mapped to. This differential generalization is also observed in animal behavior, where sounds similar to the CS+ result in the same freezing behavior as the CS+, whereas dissimilar sounds do not. These observations could provide a potential mechanism of stimulus generalization, which is one of the most common phenomena associated with post-traumatic stress disorder, on the level of neuronal populations.
To investigate how the aforementioned changes in neuronal population activity are linked to changes in the underlying synaptic connectivity, we devised a circuit model of excitatory and inhibitory neurons. We studied this firing rate model to investigate the effect of gradual changes in the network’s connectivity on its activity. Apart from an input dominated uni-stable regime (one response per stimulus independent of the network) and a network dominated uni-stable regime (one response per network independent of the stimulus), we also find a multi-stable regime for strong recurrent connectivity and a high ratio of inhibition to excitation. In this regime the model reproduces properties of neural population activity in mouse auditory cortex, including sparse activity, a broad distribution of firing rates, and clustering of stimuli into a near discrete set of response modes. This clustering in the multi-stable regime means that, not only can identical stimuli evoke different responses, depending on the network’s initial condition, but different stimuli can also evoke the same response.
Applying gradual drift to the network connectivity we find periods of stable responses, interrupted by abrupt transitions altering the stimulus response mapping. We study the mechanism underlying these transitions by analyzing changes in the fixed points of this network model, employing a method to numerically find all the fixed points of the system. We find that such abrupt transitions typically cannot be explained by the mere displacement of existing fixed points, but involve qualitative changes in the fixed point structure in the vicinity of the response trajectory. We conclude that gradual synaptic drift can lead to abrupt transitions in stimulus responses and that qualitative changes in the network’s fixed point topology underlie such transitions.
In summary we find that cortical networks display ongoing representational drift under basal conditions that is biased towards a differential generalization during fear conditioning. A circuit model is able to reproduce key characteristics of auditory cortex, including a clustering of stimulus responses into a near discrete set of response modes. Implementing synaptic drift into this model leads to periods of stable responses interrupted by abrupt transitions towards new responses.
Im Zentrum dieser Arbeit steht die Diagnostik eines Wasserstoff-Theta-Pinch-Plasmas hinsichtlich der integrierten Elektronen- und Neutralgasdichte mittels Zweifarben Interferometrie. Die integrierte Elektronen- und Neutralgasdichte sind essenzielle Größen, aus welchen sich die Ratenkoeffizienten der Ionisation und Rekombination bei einer Plasma-Ionenstrahl-Wechselwirkung bestimmen lassen.
Ein Theta-Pinch-Plasma ist ein induktiv gezündetes Plasma, wobei das zur Zündung notwendige elektrische Feld durch ein magnetisches Wechselfeld generiert wird. Das induzierte, azimutale elektrische Feld beschleunigt freie Elektronen im Arbeitsgas, welches durch Stoßionisation in den Plasmazustand gebracht wird. Der azimutale Plasmastrom erzeugt einen radialen magnetischen Druckgradienten, der das Plasma komprimiert. Da in axialer Richtung keine Kompressionskraft wirkt, weicht das Plasma einer weiteren Kompression aus, wodurch es zu einer axialen Expansion des Plasmas kommt. Die Expansion erzeugt eine Ionisationswelle im kalten Restgas und es wird eine lange, hoch ionisierte Plasmasäule gebildet.
Dieser hochdynamische Prozess ist mit einem Mach-Zehnder-Interferometer bei der Verwendung von zwei verschiedenen Versionen des Theta-Pinchs zeitaufgelöst untersucht worden. Der Unterschied dieser Versionen liegt in der Geometrie und Induktivität der Spulen, wobei zum einen eine zylindrische und zum anderen eine sphärische Spule eingesetzt worden ist. Das grundlegende Messprinzip beruht darauf, dass das Plasma einen Brechungsindex besitzt, welcher von den Dichten der im Plasma enthaltenen Teilchenspezies abhängt. In einem Wasserstoffplasmas sind dies der Beitrag der freien Elektronen und der des Neutralgases, wodurch ein Zweifarben-Interferometer eingesetzt wird. Um eine von den Laserintensitäten unabhängige Messung zu ermöglichen, wird das heterodyne Verfahren benutzt, bei dem die Referenzstrahlen beider Wellenlängen jeweils mit einem akusto-optischen Modulator frequenzverschoben werden. Durch einen Vergleich mit einem stationären Referenzsignal mittels eines I/Q-Demodulators wird die interferometrische Phasenverschiebung aus dem Messsignal extrahiert.
Mit diesem diagnostischen Verfahren ist die integrierte Elektronen- und Neutralgasdichte des Theta-Pinch-Plasmas bei Variation des Arbeitsdrucks und der Ladespannung der Kondensatorbank untersucht worden. Mit der zylindrischen Experimentversion ist eine optimale Kombination aus integrierter Elektronendichte und effektivem Ionisationsgrad η von (1,45 ± 0,04) · 1018 cm−2 bei η = (0,826 ± 0,022) bei einem Arbeitsdruck von 20 Pa und einer Ladespannung von 16 kV ermittelt worden. Dagegen beträgt die optimale Kombination bei einem Arbeitsdruck von 20 Pa und einer Ladespannung von 18 kV bei Verwendung der sphärischen Experimentversion lediglich (1,23 ± 0,03) · 1018 cm−2 bei η = (0,699 ± 0,019).
Des Weiteren ist bei beiden Experimentversionen nachgewiesen worden, dass die integrierte Elektronendichte dem oszillierenden Strom folgend periodische lokale Maxima zeigt, welche zeitlich mit signifikanten Einbrüchen in der integrierten Neutralgasdichte zusammenfallen. Diese Einbrüche werden durch die axiale Expansion des Plasmas und der damit verbundenen Ionisationswelle im Restgas erzeugt. Neben diesem zentralen Teil dieser Arbeit ist eine lasergestützte polarimetrische Diagnostik durchgeführt worden, mit der die longitudinale Komponente der magnetischen Flussdichte der Theta-Pinch-Spulen zeit- und ortsaufgelöst bestimmt worden ist. Als Messprinzip ist der Faraday-Effekt eines magneto-optischen TGGKristalls verwendet worden.
Vor der polarimetrischen Diagnostik ist der TGG-Kristall bezüglich seiner Verdet- Konstante kalibriert worden, wobei ein Wert von V = (−149,7 ± 6,4) rad/Tm gemessen worden ist. Die ortsaufgelöste polarimetrische Diagnostik ist durch einen Seilzug ermöglicht worden, mit dem der TGG-Kristall auf einem Schlitten an unterschiedliche Positionen entlang der Spulenachse gefahren werden konnte. An den jeweiligen Messpunkten ist für beide Experimentversionen die magnetische Flussdichte für verschiedene Ladespannungen zeitaufgelöst bestimmt worden. Als Messverfahren ist dabei das Δ/Σ-Verfahren eingesetzt worden, mit dem sich eine intensitätsunabhängige Messung erzielen ließ.
Die ortsaufgelösten Messergebnisse fallen gegenüber Simulationen allerdings zu niedrig aus. Bei der zylindrischen Spule betragen die Abweichungen im Spulenzentrum circa 14 - 16% und bei der sphärischen Spule in etwa 16 - 18%. Bei einer Normierung der Messwerte und der simulierten Werte auf den jeweiligen Wert im Zentrum ist dagegen innerhalb der Fehler eine völlige Übereinstimmung zwischen den Messwerten und der Simulation für die zylindrische Spule erzielt worden. Als Ursache der negativen Abweichungen wird die Hysterese des TGG-Kristalls diskutiert. Es zeigt sich insbesondere zu Beginn der Entladung eine zeitliche Verzögerung der gemessenen magnetischen Flussdichte gegenüber dem Strom, die in der Umgebung des Stromnulldurchgangs besonders stark ausgeprägt ist.
The aim of this thesis is to provide a complete and consistent derivation of second-order dissipative relativistic spin hydrodynamics from quantum field theory. We will proceed in two main steps. The first one is the formulation of spin kinetic theory from quantum field theory using the Wigner-function formalism and performing an expansion in powers of the Planck constant. The essential ingredient here is the nonlocal collision term. We will find that the nonlocality of the collision term arises at first order in the Planck constant and is responsible for the spin alignment with vorticity, as it allows for conversion between spin and orbital angular momentum.
In the second step, this kinetic theory is used as the starting point to derive hydrodynamics including spin degrees of freedom. The so-called canonical form of the conserved currents follows from Noether’s theorem.
Applying an HW pseudo-gauge transformation, we obtain a spin tensor and energy-momentum tensor with obvious physical interpretation. Promoting all components of the HW tensors to be dynamical, we derive
second-order dissipative spin hydrodynamics. The additional equations of motion for the dissipative currents are obtained from kinetic theory generalizing the method of moments to include spin degrees of freedom.
Die vorgelegte Dissertation behandelt den Einfluss homöostatischer Adaption auf die Informationsverarbeitung und Lenrprozesse in neuronalen Systemen. Der Begriff Homöostase bezeichnet die Fähigkeit eines dynamischen Systems, bestimmte interne Variablen durch Regelmechanismen in einem dynamischen Gleichgewicht zu halten. Ein klassisches Beispiel neuronaler Homöostase ist die dynamische Skalierung synaptischer Gewichte, wodurch die Aktivität bzw. Feuerrate einzelner Neuronen im zeitlichen Mittel konstant bleibt. Bei den von uns betrachteten Modellen handelt es sich um eine duale Form der neuronalen Homöostase. Das bedeutet, dass für jedes Neuron zwei interne Parameter an eine intrinsische Variable wie die bereits erwähnte mittlere Aktivität oder das Membranpotential gekoppelt werden. Eine Besonderheit dieser dualen Adaption ist die Tatsache, dass dadurch nicht nur das zeitliche Mittel einer dynamischen Variable, sondern auch die zeitliche Varianz, also die stärke der Fluktuation um den Mittelwert, kontrolliert werden kann. In dieser Arbeit werden zwei neuronale Systeme betrachtet, in der dieser Aspekt zum Tragen kommt.
Das erste behandelte System ist ein sogennantes Echo State Netzwerk, welches unter die Kategorie der rekurrenten Netzwerke fällt. Rekurrente neuronale Netzwerke haben im Allgemeinen die Eigenschaft, dass eine Population von Neuronen synaptische Verbindungen besitzt, die auf die Population selbst projizieren, also rückkoppeln. Rekurrente Netzwerke können somit als autonome (falls keinerlei zusätzliche externe synaptische Verbindungen existieren) oder nicht-autonome dynamische Systeme betrachtet werden, die durch die genannte Rückkopplung komplexe dynamische Eigenschaften besitzen. Abhängig von der Struktur der rekurrenten synaptischen Verbindungen kann beispielsweise Information aus externem Input über einen längeren Zeitraum gespeichert werden. Ebenso können dynamische Fixpunkte oder auch periodische bzw. chaotische Aktivitätsmuster entstehen. Diese dynamische Vielseitigkeit findet sich auch in den im Gehirn omnipräsenten rekurrenten Netzwerken und dient hier z.B. der Verarbeitung sensorischer Information oder der Ausführung von motorischen Bewegungsmustern. Das von uns betrachtete Echo State Netzwerk zeichnet sich dadurch aus, dass rekurrente synaptische Verbindungen zufällig generiert werden und keiner synaptischen Plastizität unterliegen. Verändert werden im Zuge eines Lernprozesses nur Verbindungen, die von diesem sogenannten dynamischen Reservoir auf Output-Neuronen projizieren. Trotz der Tatsache, dass dies den Lernvorgang stark vereinfacht, ist die Fähigkeit des Reservoirs zur Verarbeitung zeitabhängiger Inputs stark von der statistischen Verteilung abhängig, die für die Generierung der rekurrenten Verbindungen verwendet wird. Insbesondere die Varianz bzw. die Skalierung der Gewichte ist hierbei von großer Bedeutung. Ein Maß für diese Skalierung ist der Spektralradius der rekurrenten Gewichtsmatrix.
In vorangegangenen theoretischen Arbeiten wurde gezeigt, dass für das betrachtete System ein Spektralradius nahe unterhalb des kritischen Wertes von 1 zu einer guten Performance führt. Oberhalb dieses Wertes kommt es im autonomen Fall zu chaotischem dynamischen Verhalten, welches sich negativ auf die Informationsverarbeitung auswirkt. Der von uns eingeführte und als Flow Control bezeichnete duale Adaptionsmechanismus zielt nun darauf ab, über eine Skalierung der synaptischen Gewichte den Spektralradius auf den gewünschten Zielwert zu regulieren. Essentiell ist hierbei, dass die verwendete Adaptionsdynamik im Sinne der biologischen Plausibilität nur auf lokale Größen zurückgreift. Dies geschieht im Falle von Flow Control über eine Regulation der im Membranpotential der Zelle auftretenden Fluktuationen. Bei der Evaluierung der Effektivität von Flow Control zeigte sich, dass der Spektralradius sehr präzise kontrolliert werden kann, falls die Aktivitäten der Neuronen in der rekurrenten Population nur schwach korreliert sind. Korrelationen können beispielsweise durch einen zwischen den Neuronen stark synchronisierten externen Input induziert werden, der sich dementsprechend negativ auf die Präzision des Adaptionsmechanismus auswirkt.
Beim Testen des Netzwerks in einem Lernszenario wirkte sich dieser Effekt aber nicht negativ auf die Performance aus: Die optimale Performance wurde unabhängig von der stärke des korrelierten Inputs für einen Spektralradius erreicht, der leicht unter dem kritischen Wert von 1 lag. Dies führt uns zu der Schlussfolgerung, dass Flow Control unabhängig von der Stärke der externen Stimulation in der Lage ist, rekurrente Netze in einen für die Informationsverarbeitung optimalen Arbeitsbereich einzuregeln.
Bei dem zweiten betrachteten Modell handelt es sich um ein Neuronenmodell mit zwei Kompartimenten, welche der spezifischen Anatomie von Pyramidenneuronen im Kortex nachempfunden ist. Während ein basales Kompartiment synaptischen Input zusammenfasst, der in Dendriten nahe des Zellkerns auftritt, repräsentiert das zweite apikale Kompartiment die im Kortex anzutreffende komplexe dendritische Baumstruktur. In früheren Experimenten konnte gezeigt werden, dass eine zeitlich korrelierte Stimulation sowohl im basalen als auch apikalen Kompartiment eine deutlich höhere neuronale Aktivität hervorrufen kann als durch Stimulation nur einer der beiden Kompartimente möglich ist. In unserem Modell können wir zeigen, dass dieser Effekt der Koinzidenz-Detektion es erlaubt, den Input im apikalen Kompartiment als Lernsignal für synaptische Plastizität im basalen Kompartiment zu nutzen. Duale Homöostase kommt auch hier zum Tragen, da diese in beiden Kompartimenten sicherstellt, dass sich der synaptische Input hinsichtlich des zeitlichen Mittels und der Varianz in einem für den Lernprozess benötigten Bereich befindet. Anhand eines Lernszenarios, das aus einer linearen binären Klassifikation besteht, können wir zeigen, dass sich das beschriebene Framework für biologisch plausibles überwachtes Lernen eignet.
Die beiden betrachteten Modelle zeigen beispielhaft die Relevanz dualer Homöostase im Hinblick auf zwei Aspekte. Das ist zum einen die Regulation rekurrenter neuronaler Netze in einen dynamischen Zustand, der für Informationsverarbeitung optimal ist. Der Effekt der Adaption zeigt sich hier also im Verhalten des Netzwerks als Ganzes. Zum anderen kann duale Homöostase, wie im zweiten Modell gezeigt, auch für Plastizitäts- und Lernprozesse auf der Ebene einzelner Neuronen von Bedeutung sein. Während neuronale Homöostase im klassischen Sinn darauf beschränkt ist, Teile des Systems möglichst präzise auf einen gewünschten Mittelwert zu regulieren, konnten wir Anhand der diskutierten Modelle also darlegen, dass eine Kontrolle des Ausmaßes von Fluktuationen ebenfalls Einfluss auf die Funktionalität neuronaler Systeme haben kann.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Ionisation von Atomen und Molekülen in starken Laserfeldern experimentell untersucht. Hierbei kam die COLTRIMS-Technik zur koinzidenten Messung der Impulse aller aus einem Ionisationsereignis stammender Ionen und Elektronen zum Einsatz. Unter Mitwirkung des Autors wurde ein COLTRIMS-Reaktionsmikroskop umgebaut und mit einem neuen Spektrometer sowie einer atomaren Wasserstoffquelle ausgestattet. Des Weiteren entstand ein interferometrischer Aufbau zur Erzeugung von Zwei-Farben-Feldern. Aus jedem der vorgestellten Experimente konnten Informationen über die elektronische Wellenfunktion an der Grenze zum klassisch verbotenen Bereich gewonnen werden. Dies geschah sowohl im Hinblick auf die Amplitude, als auch auf die Phase der Wellenfunktion. Mit dem Wasserstoffatom (Kapitel 9), dem Wasserstoffmolekül (Kapitel 10) und dem Argondimer (Kapitel 11) wurden drei Systeme unterschiedlicher Komplexität gewählt.
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.
Most elements heavier than iron are synthesized in stars during neutron capture reactions in the r- and s-process. The s-process nucleosynthesis is composed of the main and weak component. While the s-process is considered to be well understood, further investigations using nucleosynthesis simulations rely on measured neutron capture cross sections as crucial input parameters. Neutron capture cross sections
relevant for the s-process can be measured using various experimental methods. A prominent example is the activation method relying on the 7Li(p,n)7Be reaction as a neutron source, which has the advantage of high neutron intensities and is able to create a quasi-stellar neutron spectrum at kBT = 25 keV. Other neutron sources able to provide quasi-stellar spectra at different energies suffer from lower neutron intensities. Simulations using the PINO tool suggest the neutron activation of samples with different neutron spectra, provided by the 7Li(p,n)7Be reaction, and a subsequent linear combination of the obtained spectrum-averaged cross sections
to determine the Maxwellian-averaged cross section (MACS) at various energies of astrophysical relevance. To investigate the accuracy of the PINO tool at proton energies between the neutron emission threshold at Ep = 1880.4 keV and 2800 keV,
measurements of the 7Li(p,n)7Be neutron fields are presented, which were carried out at the PTB Ion Accelerator Facility at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig. The neutron fields of ten different proton energies were measured.
The presented neutron fields show a good agreement at proton energies Ep = 1887, 1897, 1907, 1912 and 2100 keV. For the other proton energies, E p = 2000, 2200, 2300, 2500, and 2800 keV, differences between measurement and simulation were found and discussed. The obtained results can be used to benchmark and adapt the PINO tool and provide crucial information for further improvement of the neutron activation method for astrophysics.
An application for the 7Li(p,n)7Be neutron fields is presented as an activation experiment campaign of gallium, an element that is mostly produced during the weak s-process in massive stars. The available cross section data for the 69,71Ga(n,γ)
reactions, mostly determined by activation measurements, show differences up toa factor of three. To improve the data situation, activation measurements were carried out using the 7Li(p,n)7Be reaction. The neutron capture cross sections for
a quasi-stellar neutron spectrum at kBT = 25 keV were determined for 69Ga and 71Ga.
Die minoren Aktinoiden dominieren auf lange Sicht die Radioaktivität des gesamten abgebrannten Brennstoffes und können somit, obwohl sie nur etwa 0,2 % davon ausmachen, als die Hauptverursacher der Endlagerproblematik betrachtet werden.
Neben einer möglichen Endlagerung und den damit verbundenen Problemen, bietet die Transmutation eine Alternative im Umgang mit dieser Art der radioaktiven Abfälle. Hierbei werden die minoren Aktinoide durch Neutroneneinfang zur Spaltung angeregt, wodurch sowohl deren Halbwertszeit, als auch deren Radiotoxizität deutlich reduziert werden soll.
Innerhalb des in der vorliegenden Arbeit vorgestellten MYRRHA-Projektes, das im belgischen Mol realisiert werden soll, soll gezeigt werden, dass die Transmutation in einem industriellen Maßstab möglich ist. Bei MYRRHA handelt es sich um ein sog. ADS (Accelerator Driven System), bei dem ein 4 mA Protonenstrahl mit 600 MeV in einem Target aus LBE (Lead-Bismuth Eutectic) per Spallation Neutronen erzeugen soll, die für die Transmutation in einem ansonsten unterkritischen Reaktor notwendig sind. Da eine solche Anlage enorme Ansprüche an die Zuverlässigkeit des Teilchenstrahls stellt, um den thermischen Stress innerhalb des Reaktors so gering wie möglich zu halten, werden auch hohe Ansprüche an die verwendeten Kavitäten innerhalb des Beschleunigers gestellt.
Besonderes Augenmerk muss hierbei auf den Injektor gelegt werden. In diesem wird der Protonenstrahl auf 16,6 MeV beschleunigt, wobei in seinem aktuellen Design nur noch normalleitende Kavitäten verwendet werden.
Als erstes beschleunigendes Bauteil nach der Ionenquelle fungiert hier ein im Rahmen der vorliegenden Arbeit gebauter 4-Rod-RFQ, dessen HF-Design auf dem bereits am IAP getesteten MAX-Prototypen basiert.
Für den MYRRHA-RFQ konnte eine neue Art der Dipolkompensation für 4-Rod-RFQs entwickelt werden, die bereits in anderen Beschleunigern, wie etwa dem neuen HLI-RFQ-Prototypen eingesetzt werden konnte. Hierbei werden die Stützen, auf denen die Elektroden befestigt werden alternierend verbreitert, um so den Strompfad zum niedrigeren Elektrodenpaar zu verlängern, wodurch sich die dortige Spannung erhöht. Im Zuge dieser Entwicklung wurden Simulations- und Messmethoden erarbeitet, um den Dipolanteil sowohl an bereits gebauten, wie auch an zukünftigen 4-Rod-RFQs untersuchen zu können. Der Erfolg dieser neuartigen Dipolkompensation konnte in den Low-Level-Messungen, die sich an den Zusammenbau des MYRRHA-RFQs anschlossen, validiert werden.
Die CH-Sektion, die im MYRRHA-Injektor auf den RFQ und die MEBT folgt, besteht aus insgesamt 16 normalleitenden Kavitäten. Sie gliedert sich in sieben beschleunigende CHs, auf die ein CH-Rebuncher und weitere acht beschleunigende CHs folgen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde - aufbauend auf bereits vorhandenen Entwürfen - das Design der ersten sieben CH-Strukturen des MYRRHA-Injektors erstellt und hinsichtlich seiner HF-Eigenschaften optimiert.
Die dabei während den Simulationen zu CH1 auftretende Problematik einer parasitären Tunermode konnte durch zahlreiche Simulationen umgangen werden.
Weiter wurde das aus der FRANZ-CH bekannte Kühlkonzept überarbeitet, um eine hohe thermische Stabilität gewährleisten zu können, wobei mehrere verschiedene Konzepte entwickelt, simuliert und bewertet wurden.
Das so entwickelte HF- und Kühldesign der ersten sieben MYRRHA-CHs dient als Vorlage für die weiteren MYRRHA-CHs sowie für zukünftige Beschleunigerprojekte, wie etwa HBS am Forschungszentrum Jülich.
Im Anschluss an die Designphase wurden die ersten beiden CH-Strukturen des Injektors und ein zusätzlicher dickschichtverkupferter Deckel für CH1 von den Fimen NTG und PINK gefertigt und anschließend Low-Level-Messungen unterzogen, in denen die Simulationsergebnisse bestätigt werden konnten, während diese Messungen zusätzlich als Vorbereitung für die Konditionierung dienten.
Sowohl der MYRRHA-RFQ, als auch die CH-Strukturen wurden nach ihren jeweiligen Low-Level-Messungen duch eine Konditionierung auf den späteren Strahlbetrieb vorbereitet.\\
Die Konditionierung des MYRRHA-RFQ erfolgte in zwei Phasen. Zunächst wurde er in der Experimentierhalle des IAP im cw-Betrieb vorkonditioniert, bevor er nach Louvain-la-Neuve transportiert wurde. In der dort fortgesetzten Konditionierung, die sowohl gepulst, als auch im cw-Betrieb erfolgte, konnten im Rahmen dieser Arbeit 120 kW cw stabil eingkoppelt werden, wobei diese transmittierte Leistung später noch vom SCK auf bis zu 145 kW cw gesteigert wurde. Nach Abschluss der Konditionierung konnten sowohl vom IAP, als auch vom SCK Röntgenspektren aufgenommen werden, um so die Shuntimpedanz bestimmen zu können. Die Ergebnisse dieser Messungen zusammen mit der alternativen Bestimmung der Shuntimpedanz über den R/Q-Wert wurden ebenfalls in dieser Arbeit besprochen.
Die CH-Kavitäten wurden im Bunker der Experimentierhalle des IAP konditioniert, wobei zusätzlich neue Konditionierungsmethoden erarbeitet und erprobt werden konnten. In den abschließenden Untersuchungen, die sich an jede der drei Konditionierungen anschlossen, konnten Erkenntnisse über das thermische Verhalten der CHs, sowie über den Einfluss verschiedener Verschaltungen des Kühlsystems darauf gewonnen werden, die bei der Installation auch zukünftiger CHs von Nutzen sein werden.
Single-electron transport in focused electron beam induced deposition (FEBID)-based nanostructures
(2022)
Mit steigender Komplexität von integrierten Schaltungen im Nanometer-Maÿstab werden immer innovativere Techniken nötig, um diese zu fabrizieren. Dies erfordert einen starken Fokus auf die Kontrolle der Fabrikation akkurater Strukturen und der Materialreinheit, und dies im Zusammenhang mit einer skalierbaren Produktion. In diesem Kontext hat Elektronenstrahlinduzierte Abscheidung (engl. Focused Electron Beam Induced Deposition, FEBID) eine wachsende Aufmerksamkeit im Bereich der Nanostrukturierung gewonnen. Der FEBID-Prozess basiert auf der lokalen Abscheidung von Material auf einem Substrat. Das Deponat entsteht durch die Spaltung von Präkursor-Molekülen durch die Interaktion mit einem Elektronenstrahl entsteht. Als Beispiel sei hier der Präkursor Me3PtCpMe angeführt. Das auf dem Substrat abgelagerte Material besteht aus wenigen Nanometer großen Kristalliten aus Platin, welche in einer Matrix aus amorphem Kohlenstoff eingebettet sind. Die Pt-C FEBID Ablagerungen sind nano-granulare Metalle, deren elektrische Transporteigenschaften die Folge des Zusammenspiels von diffusivem Transport von Ladungen innerhalb der Pt-Kristalliten und temperaturabhängigen Tunneleffekten sind. Das größte Interesse an diesen Materialien liegt an der Möglichkeit, Strukturen für technische Anwendungen im Nanometerbereich herstellen zu können.
In dieser Arbeit wurden Anwendungen, die auf Einzelelektroneneffekten beruhen, ausgewählt, um die FEBID basierte Probenpräparation zu testen. Um Einzelelektronentransport zu ermöglichen, der auf dem Tunneln einzelner Elektronen basiert, müssen alle Parameter wie Grösse und Abstände der Strukturen genauestens definiert sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Einzelelektronenbausteine entwickelt, die auf zwei unterscheidlichen Anwendungen des Pt-C FEBID-Prozesses basieren. Die beiden Anwendungen sind: 1) Arrays von Gold-Nanopartikeln (Au-NP), welche mittels Pt-Strukturen kontaktiert wurden, die mit FEBID präpariert und anschlieÿend aufgereinigt wurden; 2) Einzelelektronentransistoren (engl. Single-Electron Transistors, SET), deren Inseln aus elektronennachbestrahlten Pt-C FEBID Deponate bestehen. Die elektrischen Eigenschaften der präparierten Nanostrukturen wurden charakterisiert und mit der erzielten Auflösung und Materialqualität in Relation gesetzt. Es wurden Optimierungen an der Präparationsmethode durchgeführt, welche direkt die Leitfähigkeit des Pt-C FEBID-Materials erhöhen. Dies kann durch die Änderung der
Karbonmatrix oder die Erhöhung des metallischen Gehalts der Struktur geschehen. In dieser Arbeit wurde eine katalytische Aufreinigungsmethode von Pt-C FEBID Strukturen für zwei Anwendungen genutzt: zum Einen wurden die aufgereinigten Strukturen als Keimschichten für die nachfolgende ortsgenaue Atomlagenabscheidung (engl. Area-Selective Atomic Layer
Deposition, AS-ALD) von Pt-Dünnschichten genutzt. Zum Anderen wurde diese Technik dafür genutzt, Metallbrücken zwischen den bereits durch Auftropfen zufällig auf dem Substrat aufgebrachten NP-Gruppen und den zuvor aufgebrachten UV-Lithographie (UVL) präparierten Cr-Au Kontakten zu erzeugen. Eine NP-Gruppe ist ein periodisches, granulares Array von Partikeln, welche uniform in Größe und Form sind und einen unterschiedlichen Grad von Ordnung inne haben. Durch die Art des Aufbringens kann die Anordnung der Nanopartikel durch Lösen und Erzeugen der Verbindungen beeinflusst werden. Diese Systeme zeigen ein Verhalten wie Tunnelkontakte mit Coulombblockade und eine Verteilung der Schwellspannung. Die Ergebnisse der elektrischen Messungen bestätigen den Einzelelektronentransport durch die Nanopartikel in einem typischen Elektronentransportregime mit schwacher Kopplung. Trotz dieser Ergebnisse war die Anwendung dieser Technik für die SET Nanostrukturierung nicht erfolgreich. Die Ursache
konnte zurückgeführt werden auf das Vorhandensein von Pt-Partikeln in der Nähe der Kontakte zu den Au-NP-Arrays. Die Pt-Partikel sind durch den FEBID Fertigungsprozess in
der Nähe der vorgegebenen Struktur entstanden. Aus diesem Grund wurde das FEBID Co-Deponat in der folgenden SET-Nanofabrikation entfernt.
Ein SET basiert auf einer Nano-Insel, welche durch Tunnelkontakte mit Source- und Drain-Elektroden verbunden ist. Darüber hinaus besteht eine kapazitive Verbindung zu einer
oder mehreren Gate-Elektrode(n). Innerhalb der Insel gibt es eine feste Anzahl von Elektronen.
In dieser Arbeit wurden die Source-, Drain- und Gate-Kontakte durch Ätzen mittels eines fokussierten Gallium-Strahls erzeugt, was Abstände von 50nm ermöglichte, wohingegen die SET Insel mit Pt-C FEBID-Material erzeugt wurde. Die Leitfähigkeit der Insel aus Pt-C wurde mit anschließender Elektronenbestrahlung erhöht. Als letzter Präparationsmethode wurde ein neueartiges Argon-Ätzverfahren genutzt, um die durch FEBID erzeugten Co-Ablagerungen in der direkten Umgebung der Insel zu entfernen. Durch die Elektronennachbestrhalung kann die Kopplung der einzelnen metallischen Kristalliten angepasst werden. Die Auswirkungen unterschiedlicher starker Tunnelkontakte auf die elektronischen Eigenschaften der Insel und die daraus resultierende Performanz des SETs wurden in dieser Arbeit beobachtet ...
Classical light microscopy is one of the main tools for science to study small things. Microscopes and their technology and optics have been developed and improved over centuries, however their resolution is ultimately restricted physically by the diffraction of light based on its wave nature described by Maxwell’s equations. Hence, the nanoworld – often characterized by sub-100-nm structural sizes – is not accessible with classical far-field optics (apart from special x-ray laser concepts) since its lateral resolution scales with the wavelength.
It was not until the 20th century that various technologies emerged to circumvent the diffraction limit, including so-called near-field microscopy. Although conceptually based on Maxwell’s long known equations, it took a long time for the scientific community to recognize its powerful opportunities and the first embodiments of near-field microscopes were developed. One representative of them is the scattering-type Scanning Near-field Optical Microscope (s-SNOM). It is a Scanning Probe Microscope (SPM) that enables imaging and spectroscopy at visible light frequencies down to even radio waves with a sub-100-nm resolution regardless of the wavelength used. This work also reflects this wide spectral range as it contains applications from near-infrared light down to deep THz/GHz radiation.
This thesis is subdivided into two parts. First, new experimental capabilities for the s-SNOM are demonstrated and evaluated in a more technical manner. Second, among other things, these capabilities are used to study various transport phenomena in solids, as already indicated in the title.
On the technical side, preliminary studies on the suitability of the qPlus sensor – a novel scanning probe technology – for near-field microscopy are presented.
The scanning head incorporating the qPlus sensor–named TRIBUS – is originally intended and built for ultra-high vacuum, low temperature, and high resolution applications. These are desirable environments and properties for sensitive nearfield measurements as well. However, since its design was not planned for near-field measurements, several special technical and optical aspects have to be taken into account, among others the scanning tip design and a spring suspended measurement head.
In addition, in this thesis field-effect transistors are used as THz detectors in an s-SNOM for the first time. Although THz s-SNOM is already an emerging technology, it still suffers from the requirements of sophisticated and specialized infrastructure on both the detector and laser side. Field-effect transistors offer an alternative that is flexible, cost-efficient, room-temperature operating, and easy to handle. Here, their suitability for s-SNOM measurements, which in general require very sensitive and fast detectors, is evaluated.
In the scientific part of this thesis, electromagnetic surface waves on silver nanowires and the conductivity/charge carrier density in silicon are investigated. Both are completely different concepts of transport phenomena, but this already shows the general versatility of the s-SNOM as it can enter both fields. Silver nanowires are analysed by means of near-infrared radiation. Their plasmonic behaviour in this spectral region is studied complementing other simulations and studies in literature performed on them using for example far-field optics.
Furthermore, the surface wave imaging ability of the s-SNOM in the near-infrared regime is thoroughly investigated in this thesis. Mapping surface waves in the mid-infrared regime is widespread in the community, however for much smaller wavelengths there are several important aspects to be considered additionally, such as the smaller focal spot size.
After that, doped and photo-excited silicon substrates are investigated. As the characteristic frequencies of charge carriers in semiconductors – described by the plasma frequency and the Drude model – are within the THz range, the THz s-SNOM is very well suited to probe their behaviour and to reveal contrasts, which has already been shown qualitatively by numerous literature reports. Here, the photo-excitation enables to set and tune the charge carrier density continuously.
Furthermore, the analysis of all silicon samples focuses on a quantitative extraction of the charge carrier densities and doping levels ...
We discuss aspects of the phase structure of a three-dimensional effective lattice theory of Polyakov loops derived from QCD by strong coupling and hopping parameter expansions. The theory is valid for the thermodynamics of heavy quarks where it shows all qualitative features of nuclear physics emerging from QCD. In particular, the SU(3) pure gauge effective theory also exhibits a first-order thermal deconfinement transition due to spontaneous breaking of its global Z₃ center symmetry. The presence of heavy dynamical quarks breaks this symmetry explicitly and consequently, the transition weakens with decreasing quark mass until it disappears at a critical endpoint. At non-zero baryon density, the effective theory can be evaluated either analytically by the so-called high-temperature expansion which does not suffer from the sign problem, or numerically by standard Monte-Carlo methods due to its mild sign problem. The first part of this work devotes to a systematic derivation of the effective theory up to the 6th order in the hopping parameter κ. This method combined with the SU(3) link update algorithm provides a way to simulate the O(κ⁶) effective theory. The second part involves a study of the deconfinement transition of the pure gauge effective theory, with and without static quarks, at all chemical potentials with help of the high-temperature expansion. Our estimate of the deconfinement transition and its critical endpoint as a function of quark mass and all chemical potentials agrees well with recent Monte-Carlo simulations. In the third part, we investigate the N ſ ∈ {1,2} effective theory with zero chemical potential up to O(κ⁴). We determine the location of the critical hopping parameter at which the first-order deconfinement phase transition terminates and changes to a crossover. Our results for the critical endpoint of the O(κ²) effective theory are in excellent agreement with the determinations from simulations of four-dimensional QCD with a hopping expanded determinant by the WHOT-QCD collaboration. For the O(κ⁴) effective theory, our estimate suggests that the critical quark mass increases as the order of κ-contributions increases. We also compare with full lattice QCD with N ſ = 2 degenerate standard Wilson fermions and thus obtain a measure for the validity of both the strong coupling and the hopping expansion in this regime.
In this thesis, the emission of protons as well as the production of Λ hyperons, Κ0S mesons and 3ΛH hypernuclei are analyzed multi-differentially as a function of transverse momentum, rapidity and centrality. Therefore, the 3.03 billion 30 % most central Ag(1.58A GeV)+Ag events recorded by HADES are used. Furthermore, the lifetimes of Λ hyperons, Κ0S mesons and 3ΛH hypernuclei are measured. The obtained 3ΛH lifetime of (253 ± 24 ± 42) ps is compatible with the lifetime of free Λ hyperons, as predicted by theoretic calculations due to its low binding energy. Finally, also the double strange Ξ– hyperons are reconstructed. Unfortunately, the fully optimized signals lie below the confidence threshold of 5σ, which is why both an production rate and an upper production limit are estimated using averaged acceptance and efficiency corrections. Never before, 3ΛH or Ξ– were successfully reconstructed and analyzed in heavy-ion collisions at such low energies. The obtained results are compared to previous measurements and put in context with world data form different energies and collision systems.
The present research in high energy physics as well as in the nuclear physics requires the use of more powerful and complex particle accelerators to provide high luminosity, high intensity, and high brightness beams to experiments. With the increased technological complexity of accelerators, meeting the demand of experimenters necessitates a blend of accelerator physics with technology. The problem becomes severe when optimization of beam quality has to be provided in accelerator systems with thousands of free parameters including strengths of quadrupoles, sextupoles, RF voltages, etc. Machine learning methods and concepts of artificial intelligence are considered in various industry and scientific branches, and recently, these methods are used in high energy physics mainly for experiments data analysis.
In Accelerator Physics the machine learning approach has not found a wide application yet, and in general the use of these methods is carried out without a deep understanding on their effectiveness with respect to more traditional schemes or other alternative approaches. The purpose of this PhD research is to investigate the methods of machine learning applied to accelerator optimization, accelerator control and in particular on optics measurements and corrections. Optics correction, maximization of acceptance, and simultaneous control of various accelerator components such as focusing magnets is a typical accelerator scenario. The effectiven- ess of machine learning methods in a complex system such as the Large Hadron Collider, which beam dynamics exhibits nonlinear response to machine settings is the core of the study. This work presents successful application of several machine learning techniques such as clustering, decision trees, linear multivariate models and neural networks to beam optics measurements and corrections at the LHC, providing the guidelines for incorporation of machine learning techniques into accelerator operation and discussing future opportunities and potential work in this field.
The main subject of this thesis is the study of hadron and photon production in relativistic heavy-ion collisions by means of hydrodynamics+transport approaches. Two different kinds of such hybrid approaches are employed in this work, the SMASH-vHLLE-hybrid and a MUSIC+SMASH hybrid. While the former is capable of simulating heavy-ion collisions covering a wide range of collision energies down to √s = 4.3 GeV, reproducing the correct baryon stopping powers, the latter provides a framework to consistently model photon production in the hadronic stage of high-energy heavy-ion collisions.
The SMASH-vHLLE-hybrid is a novel state-of-the-art hybrid approach whose development constitutes a major contribution to this thesis. It couples the hadronic transport SMASH to the 3+1D viscous hydrodynamics approach vHLLE. Therein, SMASH is employed to provide the fluctuating 3D initial conditions and to model the late hadronic rescattering stage, and vHLLE for the fluid dynamical evolution of the hot and dense fireball. The initial conditions are provided on a hypersurface of constant proper time, and the macroscopic evolution of the fireball is carried out down to an energy density of ecrit = 0.5 GeV/fm3, where particlization occurs. Consistency at the interfaces is verified in view of global, on-average quantum number conservation and the SMASH-vHLLE-hybrid is validated by comparison to SMASH+CLVisc as well as UrQMD+vHLLE hybrid approaches. The establishment of the SMASH-vHLLE-hybrid to theoretically describe heavy-ion collisions at intermediate and high collision energies forms a basis for a range of extensions and future research projects. It is further made available to the heavy-ion community by virtue of being published on Github.
The SMASH-vHLLE-hybrid is applied to simulate Au+Au/Pb+Pb collisions between √s = 4.3 GeV and √s = 200.0 GeV. A good agreement with the experimentally measured rapidity and transverse mass spectra is obtained. In particular the baryon stopping dynamics are well reproduced at low, intermediate, and high collision energies. Excitation functions for the mid-rapidity yield and mean transverse momentum of pions, protons and kaons are demonstrated to agree well with their experimentally measured counterpart. These results further validate the approach and provide a solid baseline for potential future studies. The importance of annihilations and regenerations of protons and anti-protons is additionally investigated in Au+Au/Pb+Pb collisions between √s = 17.3 GeV and √s = 5.02 TeV with the SMASH-vHLLE-hybrid. It is found that, regarding the p + p ̄ ↔ 5 π reaction, 20-50% (depending on the rapidity range) of the (anti-)proton yield lost to annihila- tions in the hadronic rescattering stage is restored owing to the back reaction. The back reaction thus constitutes a non-negligible contribution to the final (anti-)proton yield and should not be neglected when modelling the late rescattering stage of heavy-ion collisions.
The MUSIC+SMASH hybrid is a hybrid approach ideally suited to model the production of photons in relativistic heavy-ion collisions. Therein, the macroscopic production of photons in the hadronic stage in MUSIC relies on the identical effective field theories as the photon cross sections implemented in SMASH for the microscopic production. The MUSIC+SMASH hybrid thus provides the first consistent framework to the end of hadronic photon production. It accounts for 2 → 2 scattering processes of the kind π + ρ → π + γ and pion bremsstrahlung processes π + π → π + π + γ. The MUSIC+SMASH hybrid is employed in an ideal 2D setup to systematically assess the importance of non-equliibrium dynamics in the hadronic rescattering stage on mid-rapidity transverse momentum spectra and elliptic flow of photons at RHIC/LHC energies. This is achieved by comparing the outcome of the MUSIC+SMASH hybrid, involving an out-of-equilibrium late rescattering stage, to macroscopically approximating late stage photon production by means of MUSIC, employed down to temperatures well below the switching temperature. It is found that non-equilibrium dynamics have only minor implications for photon transverse momentum spectra, but significantly enhance the photon elliptic flow. At RHIC energies, an enhancement of up to 70%, and at LHC of up to 65% is observed in the non-equilibrium afterburner as compared to its hydrodynamical counterpart. In combination with the large amount of photons produced above the particlization temperature, these differences are modest regarding the transverse momentum spectra, but a significant enhancement of the elliptic flow is observed at low transverse momenta. Below pT ≈ 1.4 GeV, the combined v2 is enhanced by up to 30% at RHIC, and up to 20% at the LHC within the non-equilibrium setup as compared to its approximation via hydrodynamics. Non-equilibrium dynamics in the hadronic rescattering stage are hence important, especially in view of momentum anisotropies at low transverse momenta. These findings thus contribute to the understanding of low-pT photons produced in heavy-ion collisions at RHIC/LHC energies and the MUSIC+SMASH hybrid employed for this study provides a baseline for additional studies regarding photon production in the future.
To summarize, the approaches and frameworks presented in this thesis provide a good baseline for further extensions and studies in order to improve the understanding of hadron and photon production in relativistic heavy-ion collisions across a wide range of collision energies. More broadly, such future studies of hadrons and photons may contribute to enhance the understandig of the properties of the fundamental building blocks of matter, of which everything that surrounds us is made of.
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.
Die Entstehung der Elemente im Universum wird auf eine Vielzahl von Prozessen zurückgeführt, die sowohl in Urknall - als auch in stellaren Szenarien angesiedelt werden. Die Kenntnis der dort ablaufenden Reaktionen und deren Raten ermöglicht es die zugrundeliegenden Modelle einzugrenzen und somit genauere Aussagen über die Plausibilität der Szenarien zu treffen. Ein Teil dieser Prozesse stützt sich auf Neutroneneinfänge an Atomkernen, wodurch die Massezahl des Ausgangskerns erhöht wird.
Die Aktivierungsmethode ermöglicht die Bestimmung der Wahrscheinlichkeit eines Neutroneneinfangs, sofern der Zielkern eine detektierbare Radioaktivität aufweist. Die experimentelle Untersuchung einer Reaktion mit einem kurzlebigen Produktkern ist eine besondere Herausforderung, da bei langen Aktivierungen zwar viele Einfänge stattfinden, die meisten Produktkerne jedoch schon während der Aktivierung zerfallen. Ein probates Mittel um genügend Zerfälle des Produktkerns beobachten zu können ist die zyklische Aktivierung, wobei die Probe in mehrfachen Wiederholungen kurz bestrahlt und ausgezählt wird.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Anwendungen der zyklischen Aktivierung behandelt.
Eine vom Paul Scherrer Institut Villigen bereitgestellte Probe von 10Be wurde am TRIGA Reaktor der Johannes Gutenberg - Universität Mainz mit Neutronen aktiviert. Über die Cadmiumdifferenzmethode konnte der thermische und der epithermische Anteil der Neutronen separiert werden und dadurch sowohl der thermische Wirkungsquerschnitt als auch das Resonanzintegral für die Reaktion 10Be(n,γ)11Be bestimmt werden.
Am Institut für Kernphysik der Goethe Universität Frankfurt wurde mit einem Van - de - Graaff - Beschleuniger über die 7Li(p,n)7Be Reaktion ein quasistellares Neutronenspektrum mit kBT ≈ 25 keV erzeugt. Für die zyklische Aktivierung von Proben wurde die Infrastruktur in Form einer automatisiert ablaufenden Vorrichtung zur Bestrahlung und Auszählung geplant und umgesetzt. In diesem Rahmen wurden die über das Spektrum gemittelten Neutroneneinfangsquerschnitte für verschiedene Reaktionen bestimmt. Für 19F(n,γ)20F konnte der Gesamteinfangsquerschnitt bestimmt werden. Für die Reaktion 45Sc(n,γ)46Sc wurde der partielle Wirkungsquerschnitt in den 142,5 keV Isomerzustand gemessen. Aus der 115In(n,γ)116In Reaktion konnten die partiellen Querschnitte in die Isomerzustände bei 289,7 keV, 127,3 keV sowie den Grundzustand bestimmt werden.
Außerdem wurde mit einer Hafniumprobe die partiellen Einfangsquerschnitte in den 1147,4 keV Isomerzustand von 178Hf und in den 375 keV Isomerzustand von 179Hf gemessen.
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.
The present work deals with photoionization in the realm of the absorption of one single photon. The formal treatment of one-photon ionization usually employs a semi-classical approach, where the electron’s initial and final states are described as quantum-mechanical wave functions but the photon is treated as a classical electromagnetic wave. In the calculation of photoionization cross sections with this semi-classical method, there is an often used approximation which is called the electric dipole approximation. Mathematically, the application of the dipole approximation corresponds to truncating the series expansion of an exponential after the leading term. Physically, this means neglecting the linear photon momentum and the spatial dependence of the light field. The dipole approximation is valid if the wavelength of the light is much larger than the spatial extent of the target and if the photon momentum is small compared to the momenta of the reaction products, which is generally the case for photon energies short above the electron binding energy.
For the present work, we experimentally investigated nondipolar photoionization, i.e., one-photon ionization at high photon energies where the dipole approximation breaks down. In our experiments, we irradiated single atoms and molecules with such high-energetic photons and measured the three-dimensional momentum distributions of the reaction fragments to uncover the effects of the linear photon momentum and the spatially-dependent light field on photoionization. Our observations allow the first profound insight into photoionization that reveals all photon properties, i.e., photon energy, spin, linear momentum, and the speed of light. Hopefully, our efforts make a constructive contribution to the understanding and the further exploration of light-matter interaction.
Topological phases set themselves apart from other phases since they cannot be understood in terms of the usual Landau theory of phase transitions. This fact, which is a consequence of the property that topological phase transitions can occur without breaking symmetries, is reflected in the complicated form of topological order parameters. While the mathematical classification of phases through homotopy theory is known, an intuition for the relation between phase transitions and changes to the physical system is largely inhibited by the general complexity.
In this thesis we aim to get back some of this intuition by studying the properties of the Chern number (a topological order parameter) in two scenarios. First, we investigate the effect of electronic correlations on topological phases in the Green's function formalism. By developing a statistical method that averages over all possible solutions of the manybody problem, we extract general statements about the shape of the phase diagram and investigate the stability of topological phases with respect to interactions. In addition, we find that in many topological models the local approximation, which is part of many standard methods for solving the manybody lattice model, is able to produce qualitatively correct phase transitions at low to intermediate correlations.
We then extend the statistical method to study the effect of the lattice, where we evaluate possible applications of standard machine learning techniques against our information theoretical approach. We define a measure for the information about particular topological phases encoded in individual lattice parameters, which allows us to construct a qualitative phase diagram that gives a more intuitive understanding of the topological phase.
Finally, we discuss possible applications of our method that could facilitate the discovery of new materials with topological properties.
An investigation of photoelectron angular distributions and circular dichroism of chiral molecules
(2021)
The present work demonstrates the capability of several type of molecular frame photoelectron angular distributions (MFPADs) and their linked chiroptical phenomenon the photoelectron circular dichroism (PECD) to map in great detail the molecular geometry of polyatomic chiral molecules as a function of photoelectron energy. To investigate the influence of the molecular potential on the MFPADs, two chiral molecules were selected, namely 2-(methyl)oxirane (C3H6O, MOx, m = 58,08 uma) and 2-(trifluoromethyl)oxirane (C3H3F3O, TFMOx, m = 112,03 uma). The two molecules differs in one substitutional group and share an oxirane group where the O(1s) electron was directly photoionized with the use of synchrotron radiation in the soft X-ray regime. The direct photoionization of the K-shell electron is well localized in the molecule and it induces the ejection of two or more electrons; the excited system separates into several charged (and eventually neutral) fragments which undergo Coulomb explosion due to their charges. The electrons and the fragments were detected using the COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy (COLTRIMS) and the momentum vectors calculated for each fragment belonging from a single ionization. The former method gives the possibility to post-orient molecules in space, giving access to the molecular frame, thus the MFPAD and its related PECD for multiple light propagation direction.
Stereochemistry (from the Greek στερεο- stereo- meaning solid) refers to chemistry in three dimensions. Since most molecules show a three-dimensional structure (3D), stereochemistry pervades all fields of chemistry and biology, and it is an essential point of view for the understanding of chemical structure, molecular dynamics and molecular reactions. The understanding of the chemistry of life is tightly bounded with major discoveries in stereochemistry, which triggered tremendous technical advancements, making it a flourishing field of research since its revolutionary introduction in late 18th century. In chemistry, chirality is a brunch of stereochemistry which focuses on objects with the peculiar geometrical property of not being superimposable to their mirror-images. The word chirality is derived from the Greek χειρ for “hand”, and the first use of this term in chemistry is usually attributed to Lord Kelvin who called during a lecture at the Oxford University Junior Scientific Club in 1893 “any geometrical figure, or group of points, “chiral”, and say that it has chirality if its image in a plane mirror, ideally realized, cannot be brought to coincide with itself.”. Although the latter is usually considered as the birth of the word chirality, the concept underlying it was already present in several fields of science (above all mathematics), already proving the already multidisciplinary relevance of chirality across many field of science and beyond. Nature shows great examples of chiral symmetry on all scales. Empirically, it is possible to observe it at macroscopic scale (e.g. distribution of rotations of galaxies), down to the microscopic scale (e.g. structure of some plankton species), but it is at the molecular level where the number gets remarkable: most of the pharmaceutical drugs, food fragrances, pheromones, enzymes, amino acids and DNA molecules, in fact, are chiral. Moreover, the concept of chirality goes far beyond the mere spatial symmetry of objects being crucially entangled with the fundamental properties of physical forces in nature. The symmetry breaking, namely the different physical behaviour of a two chiral systems upon the same stimuli, is considered to be one of the best explanation for the long standing questions of homochirality in biological life, and ultimately to the chemical origin of life on Earth as we know it. Our organism shows high enantio-selectivity towards specific compounds ranging from drugs, to fragrances. Over 800 odour molecules commonly used in food and fragrance industries have been identified as chiral and their enantiomeric forms are perceived to have very different smells, as the well-know example of D- and L- limonene. Similarly, responses to pharmaceuticals drugs can be enantiomer specific, and in fact about 60 % the drugs currently on the market are chiral compounds, and nearly 90 % of them are sold as racemates. The same degree of enantio-selectivity is observed in the communications systems of plants and insects. Plants produce lipophilic liquids with high vapour pressure called plant volatiles (PVs) which are synthesized via different enzymes called tarpene synthases that are usually chiral. Chiral molecules and chiral effects have a strong impact on all the fields of science with exciting developments ranging from stereo-selective synthesis based on heterogeneous enantioselective catalysis, to optoelctronics, to photochemical asymmetric synthesis, and chiral surface science, just to cite a few.
Chiral molecules come in two forms called enantiomers. Their almost identical chemical and physical properties continue to pose technical challenges concerning the resolution of racemic mixtures, the determination of the enantiomeric excess, and the direct determination of the absolute configuration of an enantiomer. ...
In this thesis we investigate the thermodynamic and dynamic properties of the D-dimensional quantum Heisenberg ferromagnet within the spin functional renormalization group (FRG); a
formalism describing the evolution of the system’s observables as the magnetic exchange inter-action is artificially deformed. Following an introduction providing a self contained summary of the conceptual and mathematical background, we present the spin FRG as developed by Krieg and Kopietz in references [1] and [2] in chapter two. Thereto, the generating functional of the imaginary time-spin correlation functions and its exact flow equation describing the deformation process of the exchange interaction are introduced. In addition, it is highlighted that - in contrast to conventional field-theoretic FRG approaches - the related Legendre trans-formed functional cannot be defined if the exchange interaction is initially switched off. Next, we show that this limitation can be circumvented within an alternativ hybrid approach, which treats transverse and longitudinal spin fluctuations differently. The relevant functionals are introduced and the relations of the corresponding functional Taylor coefficients with the spin correlation functions are discussed. Lastly, the associated flow equations are derived and the possibility of explicit or spontaneous symmetry breaking is taken into account.
In chapter three, we benchmark the hybrid formalism against a calculation of the thermo-dynamic properties of the one and two-dimensional Heisenberg model at low temperatures T and finite magnetic field H. For this purpose, we devise an anisotropic deformation scheme of the exchange interaction which allows for a controlled truncation of the infinite hierarchy of FRG flow equations. Thereby, contact with mean-field and spin-wave theory is made and the violation of the Mermin-Wagner theorem is discussed. To fulfill the latter, the truncation scheme is then complemented by a Ward identity relating the transverse self-energy and the magnetization. The resulting magnetization M (H, T ) and isothermal susceptibility χ(H, T ) are in quantitative agreement with the literature and the established behavior of the transverse correlation length and the zero-field susceptibility close to the critical point is qualitatively reproduced in the limit H → 0.
Finally, we investigate the longitudinal dynamics at low temperatures. To this end, the hierarchy of flow equations is solved within the same anisotropic deformation scheme complemented by an expansion in the inverse interaction range, and the resulting longitudinal dynamic structure factor is calculated within a low-momentum expansion. In D = 3, the large phase space accessible for the decay into transverse magnons yields only a broad hump centered at zero frequency whose width scales linearly in momentum. In contrast, at low temperatures and in a certain range of magnetic fields, a well-defined quasiparticle peak with linear dispersion emerges in D ≤ 2, which we identify as zero-magnon sound. Sound velocity and damping are discussed as a function of temperature and magnetic field, and the relevant momentum-frequency window is estimated and compared to the hydrodynamic
second-magnon regime.
The first part of this work addresses the automatic online tuning of transfer lines in particle accelerator facilities. In the second part the focus lies on the automatic construction and optimisation of such transport lines. It can be shown that genetic algorithms can be used very well for optimisation in both cases. Automatic online tuning can be performed very efficiently at accelerators under certain boundary conditions and is particularly well suited for initial beam commissioning with low intensity pilot beams. The construction of transfer lines can also be formulated and solved as an minimisation problem with an adopted parameterisation. Thereby, both the imaging properties of the beam transport and the robustness against error studies can be optimised at the same time.
Ziel dieser Dissertation ist es, die Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichts-Eigenschaften des stark wechselwirkenden QGP-Mediums nahe dem Phasenübergang unter extremen Bedingungen von hohen T und hohen Baryonendichten mit Hilfe der kinetischen Theorie im Rahmen von effektiven Modellen zu untersuchen. Wir werden zunächst die thermodynamischen und Transporteigenschaften des QGPs in der Nähe des Gleichgewichts auf der Basis des DQPM im Bereich moderater chemischer Baryonenpotentiale μB ≥ 0.5 GeV untersuchen. Insbesondere werden die EoS und die Schallgeschwindigkeit sowie die Transportkoeffizienten des QGP auf der Grundlage des DQPM bei endlichen T und μB berechnet. Transportkoeffizienten sind besonders interessant, da sie Informationen über die Wechselwirkungen im Medium erlauben, das im Gleichgewicht durch eine Temperatur T und ein chemisches Potential μB charakterisiert werden kann. Unter Berücksichtigung der Transportkoeffizienten und der EoS der QGP-Phase vergleichen wir unsere Ergebnisse mit verschiedenen Resultaten aus der Literatur, in denen Transportkoeffizienten des QGPs auf Basis von effektiven Modellen vorwiegend bei Null oder kleinem chemischen Potentialen untersucht wurden.
Darüber hinaus werden in Kapitel 3 die Gleichgewichtseigenschaften des QGPs und insbesondere die Auswirkungen der μB-Abhängigkeit der thermodynamischen und Transporteigenschaften des QGPs im Rahmen des erweiterten PHSD-Transportansatzes untersucht, der die vollständige Entwicklung des Systems einschließlich der partonischen Phase umfasst. Die Entwicklung des PHSD-Transportansatzes wird in der partonischen Phase erweitert, indem explizit die gesamt- und differentiellen partonischen Streuquerschnitte auf der Grundlage des DQPM berechnet und bei der tatsächlichen Temperatur T und dem baryonischen chemischen Potential μB in jeder einzelnen Raum-Zeit-Zelle, in der die partonische Streuung stattfindet, ausgewertet werden.
Um die Spuren der μB-Abhängigkeit des QGPs in den Observablen zu untersuchen, werden die Ergebnisse von PHSD5.0 (mit μB-Abhängigkeiten) mit den Ergebnissen von PHSD5.0 für μB = 0 sowie mit PHSD4.0, in dem die Massen/Breiten der Quarks und Gluonen sowie deren Wechselwirkungsquerschnitte nur von T abhängen, verglichen. Wir diskutieren die PHSD-Ergebnisse für verschiedene Observablen: (i) Rapiditäts- und pT -Verteilungen von identifizierten Hadronen für symmetrische Au+Au- und Pb+Pb- Kollisionen bei Energien von 30 AGeV (zukünftige NICA-Energie) sowie für die RHIC-Spitzenenergie von √sNN = 200 GeV; (ii) gerichteter Fluss v1 von identifizierten Hadronen für Au + Au bei invarianter Energie √sNN = 27 GeV und 200 GeV; (iii) elliptischer Fluss v2 der identifizierten Hadronen für Au+Au bei invarianten Energien √sNN = 27 und 200 GeV. Der Vergleich der "Bulk"-Observablen für Au+Au-Kollisionen innerhalb der drei PHSD-Einstellungen hat gezeigt, dass sie eine recht geringe Empfindlichkeit gegenüber den μB -Abhängigkeiten der Partoneigenschaften (Massen und Breiten) und ihrer Wechselwirkungsquerschnitte aufweisen, sodass die Ergebnisse von PHSD5.0 mit und ohne μB sehr nahe beieinander liegen. Nur im Fall von Kaonen, Antiprotonen ̄p und Antihyperonen ̄Λ + ̄Σ0 konnte ein kleiner Unterschied zwischen PHSD4.0 und PHSD5.0 bei den höchsten SPS- und RHIC-Energien festgestellt werden.
Wir finden nur geringe Unterschiede zwischen den Ergebnissen von PHSD4.0 und PHSD5.0 für die hier betrachteten hadronischen Observablen sowohl bei hohen als auch bei mittleren Energien. Dies hängt damit zusammen, dass bei hohen Energien, wo die Materie vom QGP dominiert wird, ein sehr kleines chemisches Baryonenpotential μB in zentralen Kollisionen bei mittlerer Rapidität gemessen wird, während mit abnehmender Energie und größerem μB der Anteil des QGPs rapide abnimmt, sodass die endgültigen Beobachtungswerte insgesamt von den Hadronen dominiert werden, die an der hadronischen Rückstreuung teilgenommen haben, und somit die Information über ihren QGP-Ursprung verwaschen oder verloren geht.
In Kapitel 4 betrachten wir die Transportkoeffizienten von QGP-Materie im erweiterten Polyakov-NJL-Modell entlang der Übergangslinie für moderate Werte des chemischen Baryonenpotenzials 0 ≤ μB ≤ 0.9 GeV sowie in der Nähe des kritischen Endpunkts(CEP) und bei großem chemischen Baryonenpotenzial μB = 1.2 GeV, wo ein Phasenübergang erster Ordnung stattfindet. Wir untersuchen, wie die Natur der Freiheitsgrade die Transporteigenschaften des QGPs beeinflusst. Darüber hinaus demonstrieren wir die Auswirkungen des Phasenübergangs erster Ordnung und des CEP auf die Transportkoeffizienten im dekonfinierten QCD-Medium.
Darüber hinaus wird in Kapitel 5 eine phänomenologische Erweiterung des DQPM auf große baryonchemische Potentiale μB einschließlich der Region mit einem möglichen CEP und späterem Phasenübergang erster Ordnung betrachtet. Eines der wichtigsten Merkmale des Modells ist das Auftreten einer ’kritischen‘ Skalierung in der Nähe des CEP. Das Hauptziel des vorgestellten Modells besteht darin, die mikroskopischen und makroskopischen Eigenschaften der partonischen Freiheitsgrade für den Bereich des Phasendiagramms bereitzustellen, der durch moderates T und moderates oder hohes μB gekennzeichnet ist.
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The main focus of research in the field of high-energy heavy-ion physics is the study of the quark-gluon plasma (QGP). Topic of the present work is the measurement of electron-positron pairs (dielectrons), which grant direct access to some of the key properties of this state of matter, since after their formation they leave the hot and dense medium without significant interaction. In particular, the measurement of the initial QGP temperature is considered a "holy grail" of heavy-ion physics. Therefore, in addition to the analysis of existing data, a feasibility study has been conducted to determine to which extent this goal would be achievable by upgrading the ALICE experiment at CERN.
Dielectrons are produced during all stages of a heavy-ion collision, with their invariant mass reflecting the amount of energy available at the time of their formation. Dielectrons of highest mass are thus produced in the initial scatterings of the colliding nuclei by quark-antiquark annihilation. Correlated electron-positron pairs can also emerge from the decay chains of early-produced pairs of heavy-flavour (HF) particles. During the QGP stage and at the beginning of the hadronic phase, the system emits thermal radiation in the form of photons and dielectrons, which carry information about the medium temperature to the observer. In the final stage of the collision, decays of light-flavour (LF) hadrons produce additional contributions to the dielectron spectrum.
The present work is based on early data from the ALICE experiment recorded from lead-lead collisions at a center-of-mass energy of 2.76 TeV. Due to the limited amount of data, a focus is placed on achieving high efficiencies throughout the analysis. To this end, a special electron identification strategy is developed and a custom track selection applied, together resulting in a tenfold increase in pair efficiency. The dielectron spectrum is evaluated on a statistical basis, using a pair prefilter, which is optimized based on two signal quality criteria, to reduce the fraction of electrons and positrons from unwanted sources at minimum signal loss. In addition, an artifact of the track reconstruction is exploited to suppress pairs from photon conversions and to correct the dielectron yield for a contribution from different-conversion pairs. The main signal uncertainty is extracted from the deviation between results of 20 analysis settings and amounts to 20% in most of the studied kinematic range.
For comparison with the analysis results, a hadronic cocktail consisting of the LF and HF contributions is simulated, which can reasonably well describe the measured dielectron production, with a hint of an enhancement at low invariant mass. Two approaches to model the in-medium modification of the heavy-flavour are followed, resulting in up to 50% suppression, which creates some additional space for a thermal contribution at intermediate mass.
For a complete comparison between experimental data and theoretical expectation, two model calculations are consulted. The Thermal Fireball Model provides predictions for thermal dielectron radiation from the QGP and hadron gas. The data tends to be better described with these additional thermal contributions. For a comparison with a prediction by the UrQMD model, the HF component of the cocktail is subtracted from the data. This results in better agreement if the HF suppression by in-medium effects is taken into account.
The feasibility study in this work has served as a physical motivation for the ALICE upgrade for LHC Run 3. The precision with which the early temperature of the QGP can be determined via dielectrons is chosen as key observable. A multitude of individual contributions are merged into a fully modeled dielectron analysis. The resulting signal-to-background ratio represents some of the expected systematic uncertainties, while from the significance combined with the planned number of lead-lead collisions a realistic "measurement" with statistical fluctuations around the expected dielectron signal is generated using a Poisson sampling technique. Since the HF yield exceeds the QGP thermal radiation by about an order of magnitude, an additional analysis step exploiting the enhanced track reconstruction is introduced to reduce its contribution by up to a factor of five. The resulting reduction in pair efficiency is overcompensated by an up to hundred times higher collision rate. The entire cocktail is then subtracted from the sampled data to isolate the thermal excess yield. The final analysis of this spectrum shows that the inverse slope of the model prediction, which depends directly on the QGP temperature, can be reproduced within statistical and systematic uncertainties of about 10%.
The promising results of this study have contributed on the one hand to the realization of the ALICE upgrade and to a design decision for the new Inner Tracking System, and at the same time represent exciting predictions for upcoming measurements.
Die vorliegende Dissertation stellt die Strahldynamikdesigns zweier Hochfrequenzquadrupol-Linearbeschleuniger bzw. Radio Frequency Quadrupoles (RFQs) vor: das fur den RFQ des Protonen-Linearbeschleunigers (p-Linac) des FAIR2-Projekts an der GSI3 Darmstadt sowie einen ersten Designentwurf für einen kompakten RFQ, der u.a. zur Erzeugung von Radioisotopen für medizinische Zwecke genutzt werden könnte. Der Schwerpunkt liegt auf dem ersten Design.
Neurons are cells with a highly complex morphology; their dendritic arbor spans up to thousands of micrometers. This extended arbor poses a challenge for the logistics of neuronal processes: mRNA, proteins, and organelles have to be transported to dendrites, hundreds of micrometers away from the soma. This thesis aims to calculate the minimum number of proteins needed to populate the dendritic trees for different scenarios.
In chapter 2, I analyzed the ability of different mechanisms to populate the dendritic arbor. I started from the solution of the diffusion equation in Sec. 2.1, then I included the contribution of active transport in Sec. 2.2 and showed how it could have either the effect of increasing the effective diffusion coefficient or of introducing a bias in the diffusion process. In Sec. 2.3 I studied the spatial distribution of locally synthesized protein, accordingly with actively and passively transported mRNA. In Sec. 2.5, I derived the boundary condition for branches showing a qualitatively different behavior of surface and cytoplasmic proteins induced by the medium’s dimensionality in which they diffuse.
In chapter 3, I introduced the concept of protein requirement, defined as the minimum number of proteins that the neuron needs to produce to provide at least one protein to each micrometer of the dendritic arbor. In Sec. 3.1, I derived the protein requirement for diffusive proteins for somatic translation and constant translation in the dendritic arbor. In Sec. 3.2, I analyzed numerically the protein requirement in the case of actively transported protein synthesized in the soma, and, in Sec. 3.3, in the case of actively transported proteins synthesized in the dendritic arbor. In Sec. 3.4, I analyzed the protein requirement of protein synthesized in the dendrite accordingly with the distribution of mRNA described in Sec. 3.3 and 3.2. In Sec. 3.5, I derived the protein requirement for a single branch and purely diffusive proteins.
In chapter 4, I analyzed the relation between the radii of the three afferent dendrites in a branch, their length, and the diffusion length of a protein. In Sec. 4.1 I derived the optimal ratio between the radii of the daughter dendrites that minimizes the protein requirement. In Sec. 4.3 I introduced the 3/2− Rall Rule and in Sec. 4.5 its generalization. Finally, I used those rules to estimate the fraction of proteins diffusing away from and toward the soma.
In chapter 5, I analyzed the radii distribution for three categories of neurons: cultured hippocampal neurons in Sec. 5.1, stomatogastric ganglia neuron in Sec. 5.2, and 3DEM reconstructed prefrontal pyramidal neurons in Sec. 5.3. For each of these three classes, I analyzed the distribution of radii, Rall exponents, and the probability ratio. For most of them, I found that the probability of a protein diffusing away from the soma is higher for surface proteins than for cytoplasmic ones. I quantified this with a parameter called surface bias.
In Chapter 6, I analyzed the fluorescent ratio imaged by our collaborators Anne-Sophie Hafner, for a surface protein, GFP::Nlg, and a soluble one, GFP, in cultured hippocampal neurons, and I compared the fluorescent ratio with the probability ratio obtained in 5.1, finding that they are in good agreement.
In chapter 7, I compared the real dendritic morphologies imaged by one of our collaborators Ali Karimi with the optimal branching rule obtained in Sec. 4.1 and I calculated the cost for not having optimal branching radii.
Finally, in Chapter 8, I used the knowledge of the branching statistics gathered in 5.3 to simulate the protein profile on three different classes of neurons: pyramidal neurons, granule neuron, and Purkinje neurons. I compared the protein profile for surface and cytoplasmic neurons for each morphology for two different values of the diffusion length: λ = 109µm and λ = 473µm, both for optimized radii and symmetrical radii. I showed how the radii optimization reduces the protein requirement of a factor 10 4 for pyramidal neurons.
Particle collisions provide insight into the structure of matter and the interaction of its constituents. Furthermore, they also allow a better understanding of the processes involved in the formation of the universe. To cover these diverse areas, it is necessary to study different observables and collision systems. A particular challenge is to find a suitable measurable observable for a theoretically meaningful variable and to develop a measurement process taking into account the experiment. The analyses of particle collisions in this thesis cover many of the challenges and objectives mentioned above. The focus of the work is the analysis of isolated photons at an energy of √s = 7 TeV. In addition, the work also includes measurements of the average transverse momentum in Pb-Pb collisions at an energy of √s = 2.76 TeV.
Apart from the collision system, the two analyses complement each other in other respects. The measurement of isolated photons represents the first measurement of this observable with ALICE and thus lays the foundation for further measurements at other collision systems and energies. The measurement of the mean transverse momentum, on the other hand, is based on an established measurement and thus allows the comparison of different collision systems. Likewise, the physical processes studied differ. With the measurement of isolated photons, hard scattering processes in the collisions can be investigated, while the average transverse momentum allows a description of the underlying event.
When measuring isolated photons, it should be noted that isolated photons are a measurable observable that cannot be assigned to an explicit physical process. The isolation criterion used in the analysis serves to increase the fraction of prompt photons from 2→2 processes. These photons can contribute to a better understanding of the parton density function (PDF) of gluons, as well as be used as a reference for perturbative QCD calculations.
Of particular importance for the analysis are the cluster shape and the energy within a certain radius around the potential photon. The combination of these two quantities allows determining the background using the ABCD method established by CDF and ATLAS. The result obtained in this way extends the previous measurements of the cross-section of isolated photons at the LHC to lower transverse momenta. Similarly, the previous measurements of the cross-section as a function of the scale variable xT are extended to lower values.
The main focus of the measurement of the average transverse momentum of charged particles ⟨pT⟩ is to compare the measurement for the pp, p-Pb, and Pb-Pb collision systems. To obtain a direct comparison between the different collision systems, ⟨pT ⟩ is measured against the true multiplicity nch. Since the multiplicity range of pp and p-Pb collisions is limited, the analysis in Pb-Pb collisions is restricted to nch = 100. This range corresponds to peripheral Pb-Pb collisions. A particular focus of the analysis is the determination and reduction of the electromagnetic background in peripheral Pb-Pb collisions and the determination of nch based on the measured multiplicity nacc . The different collision systems show similar behavior with increasing multiplicity. The steepest increase occurs at low multiplicities and changes for all collision systems at nch = 14. With higher multiplicities, the slope reduces further, with the effect being most pronounced in Pb-Pb collisions.
The topic of this thesis is the theoretical description of the hadron gas stages in heavy-ion collisions. The overall addressed question hereby is: How does the hadronic medium evolve i.e. what are the relevant microscopic reaction mechanisms and the properties of the involved degrees of freedom? The main goal is to address this question specifically for hadronic multi-particle interactions. For this goal, the hadronic transport approach SMASH is extended with stochastic rates, which allow to include detailed balance fulfilling multi-particle reactions in the approach. Three types of reactions are newly-accounted for: 3-to-1, 3-to-2 and 5-to-2 reactions. After extensive verifications of the stochastic rates approach, they are used to study the effect of multi-particle interactions, particularly in afterburner calculations.
These studies follow complementary results for the dilepton and strangeness production with only binary reactions, which show that hadronic transport approaches are capable of describing observables when employed for the entire evolution of low-energy heavy-ion collisions. This is illustrated by the agreement of dilepton and strangeness production for smaller systems with SMASH calculations. It is, in particular, possible to match the measured strangeness production of phi and Xi hadrons via additional heavy nucleon resonance decay channels. For larger systems or higher energies, hadronic transport cascade calculations with vacuum resonance properties can point to medium effects. This is demonstrated extensively for the dilepton emission in comparisons to the full set of HADES dielectron data. The dilepton invariant mass spectra are sensitive to a medium modification of the vector meson spectral function for large collision systems already at low beam energies. The sensitivity to medium modifications is mapped out in detail by comparisons to a coarse-graining approach, which employs medium-modified spectral functions and is based on the same evolution.
The theoretical foundation of stochastic rates are collision probabilities derived from the Boltzmann equation's collision term with the assumption of a constant matrix element. This derivation is presented in a comprehensive and pedagogical fashion. The derived collision probabilities are employed for a stochastic collision criterion and various detailed-balance fulfilling multi-particle reactions: the mesonic Dalitz decay back-reaction (3-to-1), the deuteron catalysis (3-to-2) and the proton-antiproton annihilation back-reaction (5-to-2). The introduced stochastic rates approach is extensively verified by studies of the numerical stability and comparisons to previous results and analytic expectations. The stochastic rates results agree perfectly with the respective analytic results.
Physically, multi-particle reactions are demonstrated to be significant for different observables, most notably the yield of the partaking particles, even in the late dilute stage of heavy-ion reactions. They lead to a faster equilibration of the system than equivalent binary multi-step treatments. The difference in equilibration consequently influences the yield in afterburner calculations. Interestingly, the interpretation of results is not dependent on employing multi-particle or multi-step treatments, which a posteriori validates the latter.
As the first test case of multi-particle reactions in heavy-ion reactions, the mesonic 3-to-1 Dalitz decay is found to be dominated by the omega Dalitz decay back-reaction. While the effect on the medium is found to be negligible overall, the regeneration is found to be sizable: up to a quarter of Dalitz decays are regenerated.
Non-equilibrium rescattering effects are shown to be relevant for late collision stages for two particle species: deuteron and protons. In both cases, the relevant rescatterings involve multiple particles.
The deuteron pion and nucleon catalysis reactions equilibrate quickly in the afterburner stage at intermediate energies. The constant formation and destruction keeps the yield constant and microscopically explains the "snowballs in hell"-paradox. The yield is also generated with no d present at early times, which explains why coalescence models can also match the multiplicity.
New is the study of the 5-body back-reaction of proton-antiproton annihilations. This work marks the first realization of microscopic 5-body reactions in a transport approach to fulfill detailed balance for such reactions. A sizable regeneration due to the back-reaction of up to half of the proton-antiproton pairs lost due to annihilations is found. Consequently, both annihilation and regeneration in the late non-equilibrium stage are shown to have a significant effect on the p yield.
This thesis deals with the phenomenology of QCD matter, its aspects in heavy ion collisions and in neutron stars. The first half of the work focuses on the hadronic phase of QCD matter. One focus is on how the hadronic phase shows itself in heavy ion collisions and how its dynamics can be simulated. The role of hadronic interactions is considered in the context of the lattice QCD data. The second part of this thesis presents a unified approach to QCD matter, the CMF model. The CMF model incorporates many aspects of QCD phenomenology which allows for a consistent description of the hadron-quark transition, making it applicable to the entire QCD phase diagram, i.e., to the cold nuclear matter and to the hot QCD matter. It is shown that a description of both the hot matter created in heavy ion collisions and the cold dense matter in neutron star interiors is possible within one single approach, the CMF model.
Next-generation DIRC detectors, like the PANDA Barrel DIRC, with improved optical designs and better spatial and timing resolution, require correspondingly advanced reconstruction and PID methods. The investigation of the PID performance of two DIRC counters and the evaluation of the reconstruction and PID algorithms form the core of this thesis. Several reconstruction and PID approaches were developed, optimized, and tested using hadronic beam particles, experimental physics events, and Geant simulations. The near-final design of the PANDA Barrel DIRC was evaluated with a prototype in the T9 beamline at CERN in 2018. The analysis finds excellent agreement between the experimental data and the Geant simulations for all reconstruction algorithms. The best PID performance of up to $5.2 \pm 0.2$ s.d. $\pi$/K separation at 3.5 GeV/c, was obtained with a time imaging PID method. The PANDA Barrel DIRC simulation, as well as the reconstruction and PID algorithms, were evaluated using experimental data from the GlueX DIRC as part of the FAIR Phase-0 program. The performance validation was carried out using physics events of the GlueX experiment and simulations. The initial analysis results of the commissioning dataset show a $\pi$/K separation power of up to 3 s.d. at a momentum of 3.0-3.5 GeV/c, obtained using a geometric reconstruction algorithm.
Terahertz (THz) technology is an emerging field that considers the radiation between microwave and far-infrared regions where the electronic and photonic technologies merge. THz generation and THz sensing technologies should fill the gap between photonics and electronics which is defined as a region where THz generation power and THz sensing capabilities are at a low technology readiness level (TRL). As one of the options for THz detection technology, field-effect transistors with integrated antennae were suggested to be used as THz detectors in the 1990s by M. Dyakonov and M. Shur from where the development of field-effect transistor-based detector began. In this work, various FET technologies are presented, such as CMOS, AlGaN/GaN, and graphene-based material systems and their further sensitivity enhancement in order to reach the performance of well-developed Schottky diode-based THz sensing technology. Here presented FET-based detectors were explored in a wide frequency range from 0.1 THz up to 5 THz in narrowband and broadband configurations.
For proper implementation of THz detectors, the well-defined characterization is of high importance. Therefore, this work overviews the characterization methods, establishes various definitions of detector parameters, and summarizes the state-of-the-art THz detectors. The electrical, optical, and cryogenic characterization techniques are also presented here, as well as the best results obtained by the development of the characterization methods, namely graphene FET stabilization, low-power THz source characterization for detector calibration, and technology development for cryogenic detection.
Following the discussion about the detector characterization, a wide range of THz applications, which were tested during the last four years of Ph.D. and conducted under the ITN CELTA project from HORIZON2020 program, are presented in this work. The studies began with spectroscopy applications and imaging and later developed towards hyperspectral imaging and even passive imaging of human body THz radiation. As various options for THz applications, single-pixel detectors as well as multi-pixel arrays are also covered in this work.
The conducted research shows that FET-based detectors can be used for spectroscopy applications or be easily adapted for the relevant frequency range. State-of-the-art detectors considered in this work reach the resonant performance below 20 pW/√Hz at 0.3 THz and 0.5 THz, as well as 404 pW/√Hz cross-sectional NEP at 4.75 THz. The broadband detectors show NEP as low as 25 pW/√Hz at around 0.6 THz for the best AlGaN/GaN design and 25 pW/√Hz around 1 THz for the best CMOS design. As one of the most promising applications, metamaterial characterization was tested using the most sensitive devices. Furthermore, one of the single-pixel devices and a multi-pixel array were tested as an engineering solution for a radio astronomy system called GREAT in a stratosphere observatory named SOFIA. The exploration of the autocorrelation technique using FET-based devices shows the opportunity to employ such detectors for direct detection of THz pulses without an interferometric measurement setup.
This work also considers imaging applications, which include near-field and far-field visualization solutions. A considerable milestone for the theory of FET technology was achieved when scanning near-field microscopy led to the visualization of plasma (or carrier density) waves in a graphene FET channel. Whereas another important milestone for the THz technology was achieved when a 3D scan of a mobile phone was performed under the far-field imaging mode. Even though the imaging was done through the phone’s plastic cover, the image displayed high accuracy and good feature recognition of the smartphone, inching the FET-based detector technology ever so close to practical security applications. In parallel, the multi-pixel array testing was carried out on 6x7 pixel arrays that have been implemented in configurable-size aperture and imaging configurations. The configurable aperture size allowed the easier detector focusing procedure and a better fit for the beam size of the incident radiation. The imaging has been tested on various THz sources and compared to the TeraSense 16x16 pixel array. The experimental results show the big advantage of the developed multi-pixel array against the used commercial technology.
Furthermore, two ultra-low-power applications have been successfully tested. The application on hyper-frequency THz imaging tested in the specially developed dual frequency comb and our detector system for 300 GHz radiation with 9 spectral lines led to outstanding imaging results on various materials. The passive imaging of human body radiation was conducted using the most sensitive broadband CMOS detector with a log-spiral antenna working in the 0.1 – 1.5 THz range and reaching the optical NEP of 42 pW/√Hz. The NETD of this device reaches 2.1 K and overcomes the performance limit of passive room-temperature imaging of the human body radiation, which was less than 10 K above the room temperature. This experiment opened a completely new field that was explored before only by the multiplier chain-based or thermal detectors.
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The Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiment will investigate heavy ion collisions and reactions at interaction rates of 100 kHz in a targeted energy range of up to 11 AGeV for systems such as gold-gold or lead-lead. It will be one of the major scientific experiments of the Facility for Antiproton and Ion Research in Europe (FAIR) currently under construction at the site of the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt, Germany. CBM is going to be a fixed target experiment consisting of a superconducting magnet, multiple detectors of various types, and high-performance computing for online event reconstruction and selection. The detector closest to the interaction point of the experiment will be the Micro Vertex Detector (MVD). Consisting of four planar stations equipped with custom CMOS pixel sensors, it will allow to reconstruct the primary vertex with high precision and will help to reconstruct secondary vertices and identify particles originating from conversion in the detector material.
Due to the high interaction rates foreseen for CBM, understanding and minimizing systematic errors due to the detectors’ operating conditions will become all the more important to obtain significant measurement results, as statistical errors in the measurements of many observables are diminishing due to the enormous amount of data available.
Furthermore, the MVD will be the first detector based on CMOS pixel sensors used in a large physics experiment, that will be operated in vacuum. As a result, many aspects of the mechanical and electrical integration of the detector require careful testing and validation.
This thesis addresses both those challenges specifically for the Micro Vertex Detector with the development of a control system for the operation and validation of the MVD prototype “PRESTO” in vacuum. The prototype was selected as device under test as the final MVD is not yet built.
The developed control system helps a) to operate the prototype safely and keep it at the desired working point and b) to record important time-series data of the state of the detector prototype. Those two aspects allow the control system (which might later serve as a ‘blueprint’ for the final detector) to minimize the mentioned systematic errors as much as possible and to contribute to the understanding of remaining systematic errors using correlations with the time-series data. The controlled operation of the prototype in vacuum allowed to validate the integration concepts from a wide range of mechanical and electrical aspects in an endurance test for more than a year with 24/7 operation.
The prototype for this study itself was named “PRESTO” (standing for ‘PREcursor of the Second sTatiOn of the CBM-MVD’). It represents one quadrant of an MVD detector plane, equipped with a total of 15 MIMOSA-26 sensors on the front and back side of a carrier plate. Within this thesis, major parts of the prototype itself were designed. Custom ultra-thin flat flexible cables for data and power were designed and validated. Furthermore, the CNC-machined Aluminium heatsink to mount and cool the prototype design was refined to increase thermal performance. A custom vacuum feedthrough for a total of 21 flat ribbon cables was designed and fabricated. The read-out chain for MIMOSIS-26 was extended to cover a total of 8 sensors with a single and newer TRB-3 FPGA board and was set-up with the prototype. Vacuum equipment including chambers, hoses, pumps, valves and gauges were integrated to form a large vacuum testing system. A cooling circuit for the prototype was assembled comprising an external chiller, hoses, vacuum feedthroughs, as well as temperature, flow and pressure sensors.
The control system was developed to serve the needs of the prototype, while taking the requirements of the final MVD already into account. The main design goals of the control system are:
• compatibility with the other detectors and the overall CBM experiment,
• access to real-time measurements of all necessary parameters (‘process values’),
• reliable, fail-safe operation of the detector,
• recording of all time-series data (‘archiving’),
• cost efficiency and acceptance within the physics community,
• good usability for the users (‘operators’),
• long-term maintainability.
The recorded time-series data of the process variables (i.e. sensor readings) allow a post-measurement analysis of variations in the detector performance. The longterm archiving of all relevant system parameters is therefore of outstanding importance, which is why the software intended for this purpose – called “archiver” – was given special attention in this thesis.
For this reason in particular, it is necessary to implement a comprehensive control system that allows the detector to be operated safely under these conditions and cooled effectively. Before the start of this doctoral thesis, vigilant and extensively trained operators were always necessary for this. The control system that has been developed makes it possible that, after basic training, the detector can also be operated by a less specialised shift supervisor during measurement campaigns.
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