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Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden drei Schwerpunkte behandelt: 1) Die hocheffektive Beschleunigung von Elektronen und Protonen durch die Wechselwirkung von relativistischen Laserpulsen mit Schäumen. 2) Die Erzeugung und Messung hochintensiver Betatronstrahlung von direkt laserbeschleunigten (DLA-) Elektronen. 3) Die Anwendung von DLA-Elektronen für den biologischen FLASH-Effekt mit einer rekordbrechenden Dosisrate.
Die direkte Laserbeschleunigung von Elektronen wurde durch die Wechselwirkung eines sub-ps-Laserpulses mit einer Intensität von ~ 10^19 W/cm^2 mit einem Plasma nahe kritischer Elektronendichte (NCD) untersucht. Ein sub-mm langes NCD-Plasma wurde durch Erhitzen eines Schaums mit einer niedrigen Dichte mit einem ns-Puls von 10^13-10^14 W/cm^2 erzeugt. Die Experimente wurden an der PHELIX-Anlage (Petawatt Hoch- Energie Laser für Schwerionenexperimente) in den Jahren 2019 – 2023 durchgeführt. Während der Suche nach optimalen Bedingungen für die Beschleunigung von Elektronen und Protonen wurden die Parameter des ns-Pulses variiert und verschiedene Targets verwendet. Es wurde gezeigt, dass das Plasma im Schaum gute Voraussetzungen für die Erzeugung gerichteter, ultrarelativistischer DLA-Elektronen mit Energien von bis zu 100 MeV bietet. Die Elektronen weisen eine Boltzmann-ähnliche Energieverteilung mit einer Temperatur von 10-20 MeV auf.
Optimale Bedingungen für eine effektive Beschleunigung von DLA-Elektronen wurden bei der Kombination eines CHO-Schaums mit einer Dichte von 2 mg/cm3 und einer Dicke von 300-500 µm mit einer Metallfolie erreicht. Die Gesamtladung der detektierten Elektronen mit Energien über 1,5 MeV erreichte 0,5-1 µC mit der Umwandlungseffizienz der Laserenergie von ~ 20-30%.
Außerdem wird die Beschleunigung von Protonen durch DLA-Elektronen anders verursacht als bei typischer Target Normal Sheath Acceleration (TNSA). Für die Untersuchung der lokalen Protonenenergieverteilung wurden Magnetspektrometer unter verschiedenen Winkeln zur Laserachse verwendet. Dafür wurde eine Filtermethode entwickelt, welche es ermöglicht, Spektren von Protonen mit Energien von bis zu 100 MeV zu rekonstruieren. Es wurde gezeigt, dass am PHELIX durch die Kombination von einem ~ 300-400 µm dicken CHO-Schaum mit einer Dichte von 2 mg/cm^3 und einer 10 µm dicken Au-Folie bei einer Intensität des sub-ps-Pulses von ~ 10^19 W/cm^2 und unter Verwendung eines optimierten ns-Vorpulses eine optimale Protonenbeschleunigung erreicht wurde. Es wurde ein TNSA-ähnliches Regime mit einer maximalen Cut-off-Energie von 34±0,5 MeV beobachtet. Im Vergleich dazu wurde bei der typischen TNSA unter Verwendung einer 10 µm dicken Au-Folie als Target und derselben Laserintensität eine maximale Cut-off-Energie von 24±0,5 MeV gemessen. Darüber hinaus beobachteten wir einen sehr schwachen Abfall der Protonenanzahl in Abhängigkeit von der Protonenenergie (anders als bei der typischen TNSA) und eine sehr regelmäßige Protonenstrahlverteilung in einem breiten Winkelbereich bis zu hohen Energien. Dies könnte zur Verbesserung der Qualität der Protonenradiographie von Plasmafeldern genutzt werden.
Beim DLA-Prozess (im NCD-Plasma) entsteht Betatronstrahlung durch die Oszillationen von Elektronen in quasi-statischen elektrischen und magnetischen Feldern des Plasmakanals. Um diese Strahlung zu untersuchen, wurde ein neues modifiziertes Magnetspektrometer (X-MS) konstruiert. Das X-MS ermöglicht die 1D-Auflösung mehrerer Quellen. Dank dieser Spezifikation war es möglich, Betatronstrahlung von Bremsstrahlung der ponderomotorischen Elektronen im Metallhalter zu trennen und zu messen.
Im Experiment mit einem CHO-Schaum mit einer Dichte von 2 mg/cm^3 und einer Dicke von ~ 800 µm als Target wurde die von den optimierten DLA-Elektronen erzeugte Betatronstrahlung gemessen. Bei einer Peak-Intensität des dreieckigen ns-Pulses von ~ 3·10^13 W/cm^2 und des sub-ps-Pulses von ~ 10^19 W/cm^2, welcher 4±0,5 ns gegenüber dem ns-Puls verzögert war, betrug der Halbwinkel im FWHM-Bereich des Elektronenstrahls 17±2°. Unter diesen Bedingungen war die Betatronstrahlung mit einem Halbwinkel im FWHM-Bereich von 11±2° für die Photonen mit Energien über 10 keV ebenfalls gerichtet. Die Photonenanzahl mit Energien über 10 keV wurde auf etwa 3·10^10 / 3·10^11 (gerichtete Photonen / Photonen im Halbraum entlang der Laserstrahlrichtung) abgeschätzt. Die maximale Photonenanzahl pro Raumwinkel betrug ~2·10^11 photons/sr. Die Brillanz der registrierten Betatronstrahlung erreichte ~ 2·10^20 photons/s/mm^2/mrad^2/(0.1% BW) bei 10 keV.
Die Verwendung eines Hochstromstrahls aus DLA-Elektronen für die FLASH-Strahlentherapie ermöglicht das Erreichen einer Dosis von bis zu 50-70 Gy während eines sub-ps-Laserpulses. Im Jahr 2021, während der P213-Strahlzeit am PHELIX wurde der Sauerstoffkonzentrationsabfall bei der Bestrahlung von Medien (Wasser und andere biologische Medien) mit DLA-Elektronen in Abhängigkeit von der Dosis untersucht. Die Strahlendosis wurde hierbei indirekt gemessen. Hierfür wurde eine Rekonstruktionsmethode entwickelt, die es ermöglicht, die Dosis innerhalb des „Wasser-Containers“ auf Basis von Messungen außerhalb des Containers mit einem untersuchten Medium zu ermitteln. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen dem Experiment und einer Monte-Carlo-Simulation für Wasser gezeigt. Die registrierte Dosisrate erreichte einen Rekordwert von ~ 70 TGy/s.
This thesis aims to investigate the properties of hadronic matter by analyzing fluctuations of conserved charges. A transport model (SMASH) is used for these studies to achieve this. The first part of this thesis focuses on examining transport coefficients, specifically the diffusion coefficients of conserved charges and the shear viscosity. The second part investigates equal-time correlations of particle numbers in the form of cumulants. The last chapter studies different aspects of the isobar collision systems Ru and Zr.
As a first step, the hadronic medium and interactions between its constituents are introduced, and simultaneously, their impact on transport coefficients is investigated. The methodology is verified by comparing the results of SMASH with Chapman-Enskog calculations, followed by examining 3-to-1 multi-particle reactions, revealing their influence on shear viscosity and electrical diffusion. The analysis of the full hadron gas considers angle-dependent cross-sections and additional elastic cross-sections via the AQM description, showing significant impacts on transport coefficients. The dependency on the number of degrees of freedom is explored, with noticeable effects on diffusion coefficients but a smaller influence on the shear viscosity. At non-zero baryon chemical potential, the diffusion coefficients are strongly influenced, while the shear viscosity remains unaffected. Overall, the study underscores the importance of individual cross-sections and the modeling of interactions on transport coefficients.
The following chapter explores fluctuations of conserved charges, crucial for understanding phase transitions in heavy-ion collision from the quark-gluon plasma to the hadronic phase. Using SMASH, the impact of global charge conservation on particle number cumulants in subvolumes of boxes simulating infinite matter is studied. Comparisons with simpler systems highlights the influence of hadronic interactions on cumulants, especially via charge annihilation processes and the results from SMASH shows agreement with analytical calculations. Calculations at finite baryon chemical potential reveals a transition from a Poisson to Skellam distribution within the net proton cumulants. It is shown that an unfolding procedure to obtain the net baryon fluctuations from the net proton ones deviates from the actual net baryon result, particularly in larger volumes. Finally, net proton correlations at vanishing baryon chemical potential align with ALICE measurements and the net proton cumulants are unaffected by deuteron formation.
In the next step, the goal is to investigate critical fluctuations in the hadronic medium. Therefore, the hadronic system is initialized with critical equilibrium fluctuations by coupling the hadron resonance gas with the 3D Ising model. The single-particle probability distributions are derived from the principle of maximum entropy. Evolving these distributions in SMASH, their development in an expanding sphere adjusted to experimental conditions can be analyzed. It reveals resonance decay and formations as the primary source that affects the particle cumulants. Because of isospin randomization processes, critical fluctuations are better preserved in net nucleon numbers. However, for the strongest coupling investigated in this work, correlations of the critical field are still present in the final state of the evolution in the net proton fluctuations. Examining cumulant dependence on rapidity windows shows a non-monotonic trend.
In the third part, collisions involving the isobars Ru and Zr are studied at a center-of-mass energy of 200 GeV. Initially, SMASH is used to study the initial conditions to hydrodynamical simulations, emphasizing the importance of the nuclear structure of isobars on the geometry of the collision area. It is found that the deformation parameters notably influence the initial state. Correlations between nucleon-nucleon pairs on eccentricity fluctuations yield no significant effect. Subsequently, the hydrodynamic model vHLLE evolves the previously explored initial conditions and for the transition between the hydrodynamic and kinetic descriptions, the Cooper-Frye formula is used. Usage of the canonical ensemble ensures the exact conservation of the conserved charges B, Q, and S. The neutron skin effect, which changes the charge distribution within Ru nuclei, is additionally considered. Fluctuations are assessed, revealing suppression in large rapidity windows due to global charge conservation. The hadronic phase modifies fluctuations of net pions, net kaons, and net protons via annihilation processes, yet fluctuations remain unaffected by the neutron skin effect.
Die künstliche elektrische Stimulation bietet oftmals die einzige Möglichkeit, nicht vorhandene bzw. verloren gegangene motorische sowie sensorische Aktivitäten in gewissem Umfang wieder herzustellen. Im Falle von tauben Patienten wird zur Erlangung von Hörempfindungen die elektrische Stimulation des peripheren auditorischen Systems mit Hilfe von Cochlea- oder Hirnstammimplantaten standardmäßig eingesetzt. Es ist dabei notwendig, natürliche neuronale Entladungsmuster durch die elektrisch evozierten Entladungsmuster nachzubilden. Bei einkanaligen Systemen kann nur die Zeitstruktur des Signals dargeboten werden. Mehrkanalige Systeme bieten hier noch zusätzlich die Möglichkeit auch örtlich selektiv bestimmte Nervenfasergruppen zu stimulieren und damit die Ortsstruktur in den Entladungsmustern zu repräsentieren. So hat es sich gezeigt, dass die Sprachverständlichkeit durch Verwendung von Mehrkanal-Elektroden verbessert werden kann. Grundvoraussetzung hierfür ist die Optimierung der Kanalseparation durch Kleinst-Vielkanalelektroden und der Wahl einer optimalen Codierstrategie des Signals.
Die Codierstrategie ist abhängig von dem jeweiligen spezifischen Einsatzbereich. So gaben z.B. schon Clopton und Spelman (1995) zu bedenken, dass die als selektiv berechnete tripolare (S3) Konfiguration nur für einen bestimmten Stimulationsstrombereich gültig ist. Hinzu kommt es bei simultaner Verwendung benachbarter Kanäle zu schmerzhaften Lautheitssummationen. Ursache hierfür sind einerseits die Überlagerung der durch die Elektroden stimulierten neuronalen Bereiche und andererseits die Wechselwirkungen von Strömen benachbarter Elektrodenkanäle. Diese Effekte führen nicht nur zu einer Verringerung der räumlichen Stimulationsauflösung, sondern auch zu einer Einschränkung der exakten Abbildung der Zeitstruktur innerhalb der einzelnen Stimulationskanäle.
Die Techniken und Grundlagen der elektrischen Stimulation von neuronalem Gewebe mit Kleinst-Vielkanalelektroden sind bisher kaum untersucht worden. Ziel dieser Arbeit war es, ein mathematisches Modell zu implementieren und Qualitätsparameter zu definieren, mit deren Hilfe die Verteilung des elektrischen Feldes und die daraus resultierende neuronale Erregung beschrieben und optimiert werden kann. Zur Verifizierung des Modells sollten Methoden und Techniken entwickelt werden, die eine hochauflösende Abtastung der elektrischen Felder und Messung der neuronalen Daten innerhalb eines Messsystems ermöglichen.
Bei der neuronalen Stimulation mit Kleinst-Vielkanalelektroden ergibt sich eine Reihe von Problemen grundsätzlicher Art. So werden bei elektrodenferner Stimulation größere Stimulationsströme benötigt als bei elektrodennaher Stimulation, wobei für den Strombedarf die Stimulationskonfiguration eine entscheidende Rolle spielt: Der S1 Stimulationsmodus benötigt weniger Strom zur Erreichung großer Stimulationstiefen als der S2 Stimulationsmodus. Der größte Strom wird mit zunehmendem Elektrodenabstand gleichermaßen von dem S3 und S7 Stimulationsmodus benötigt. Gleichzeitig verfügen Kleinst-Vielkanalelektroden bauartbedingt aber nur über kleine Elektrodenkontaktoberflächen und lassen daher auf Grund der kritischen Feldstärke nur geringe Stimulationsströme zu.
Ein weiteres Problem besteht bei diesen Kleinst-Elektrodendimensionen in der konkreten Lage der Neurone an denen eine neuronale Erregung evoziert wird. Die Dimension der Kleinst-Vielkanalelektroden liegt bei einem Elektrodenkanalkontaktdurchmesser von 70 µm bereits in der Größenordnung der zu stimulierenden Neurone mit einem Durchmesser von 10 bis 15 µm. Dies macht sich bei den Messungen besonders dann deutlich bemerkbar, wenn nicht der Stimulationsstrom die Größe des überschwelligen Bereichs modelliert, sondern wenn der Elektrodenkanalabstand durch die Wahl der entsprechenden Elektrodenkanäle verändert wird. Hier weisen zwar die meisten neuronalen Antworten noch in die sich aus dem Modell ergebende Richtung, jedoch kommt es zu einer höheren Streuung der Ergebnisse als bei Messungen mit der Folienelektrode, die eine Kontaktfläche von 170 µm besitzt.
Es gibt also eine Reihe von begrenzenden Faktoren bei der optimalen Dimensionierung der Stimulationselektrode, die sowohl abhängig von der physiologischen Topologie ist als auch von den eingesetzten Stimulationskonfigurationen. Es ist also zur Stimulation die Wahl der optimalen Codierstrategie und die richtige Dimensionierung der Stimulationselektrode sowie der Elektrodenkanalabstände von entscheidender Bedeutung.
Die neuronalen Messungen wurden erstmalig für diese Fragestellung am Hirnschnitt durchgeführt, da sie, im Gegensatz zu in-vivo Versuchen, eine exakte Positionierung der Elektroden auf dem Hirnschnitt unter Sichtkontrolle durch das Mikroskop erlauben. Es wurden aus den neuronalen Messungen die Amplituden und Latenzen der exzitatorischen postsynaptischen Potenziale (EPSP) sowie der Feldpotenziale ausgewertet.
Der Versuchsaufbau macht es möglich, die Potenzialfelder mit genau den Konfigurationen abzutasten, mit denen auch die neuronalen Messungen des Hirnschnittes durchgeführt wurden. Das implementierte Programm zur Berechnung der Feldverteilung besitzt zum Messprogramm ein Interface, so dass es möglich ist, die Einstellungen des Experimentes, wie Stimulationskonfigurationen, Abtastraster des Feldes und die Koordinaten des Messraums, in der Modellrechnung zu verwenden. Somit ist ein direktes Vergleichen zwischen Messung und Berechnung möglich. In nachfolgenden Arbeiten können die vorliegenden Ergebnisse als Grundlage für in-vivo Versuche eingesetzt werden.
Zur Durchführung der Messungen wurden sehr kleine Elektroden aus eigener Herstellung verwendet und es wurden uns freundlicherweise neu entwickelte Folienelektroden des Fraunhofer Instituts St. Ingbert zur Verfügung gestellt. Die Größe der verwendeten Kleinst-Vielkanalelektroden aus eigener Herstellung lag um ca. eine Zehnerpotenz unter den aktuell eingesetzten Elektrodentypen und ist speziell für den direkten Kontakt zwischen Elektrode und Gewebe konzipiert. Dies entspricht dem typischen Einsatzbereich von Hirnstammimplantaten. Dies ist auch notwendig, um eine maximale räumliche Separation der erzeugten Felder zu ermöglichen. Außerdem erlaubte das Elektrodendesign auf Grund der hohen Anzahl der Elektrodenkanäle und durch variieren der Konfigurationen die Feldrichtung zu bestimmen, ohne die Elektrode neu auf den Hirnschnitt aufsetzen zu müssen.
Der in dieser Arbeit implementierte Algorithmus zur Berechnung der Feldverteilungen und die eingeführten Qualitätsparameter erlauben, die unterschiedlichen Stimulationskonfigurationen miteinander zu vergleichen und zu optimieren. Die Ergebnisse aus diesen Modellrechnungen wurden sowohl mit den Messungen der elektrischen Felder als auch mit den Ergebnissen aus den neuronalen Antworten verglichen.
Der im Rahmen dieser Arbeit erstellte Versuchsaufbau bestand aus einer über mehrere Mikromanipulatoren getriebene mikrometergenaue Positioniereinrichtung. Es konnten sowohl die Stimulationselektrode als auch die Elektrode zur Aufzeichnung der neuronalen Daten gesteuert werden. Die Steuerung des gesamten Setup, d.h. die Positionierung, die Aufzeichnung der neuronalen Daten und die Generierung der Stimulationsmuster wurde über den zentralen Messrechner durch ein hierfür entwickeltes Computerprogramm gesteuert. Die Versuche wurden über ein inverses Mikroskop durch eine CCD-Kamera aufgezeichnet.
Der entscheidende Vorteil des in dieser Arbeit gewählten Modellansatzes besteht in der grundsätzlichen Beschreibung der Feldverteilung bei vielkanaliger Stimulation, so dass diese auch auf andere Elektrodenformen bzw. Konfigurationen und Dimensionen übertragbar ist. Es lassen sich so den verschiedenen Konfigurationen nach bestimmten Qualitätskriterien bewerten und an die jeweilige Zielrichtung der Stimulation anpassen. Die berechneten Felder konnten erfolgreich in der Messeinrichtung generiert und nachgemessen werden. Außerdem ist es gelungen, differenzierte neuronale Aktivitäten auszuwerten, welche die Aussagen des Modells abstützen.
The equation of state (EoS) of matter at extremely high temperatures and densities is currently not fully understood, and remains a major challenge in the field of nuclear physics. Neutron stars harbor such extreme conditions and therefore serve as celestial laboratories for constraining the dense matter EoS. In this thesis, we present a novel algorithm that utilizes the idea of Bayesian analysis and the computational efficiency of neural networks to reconstruct the dense matter equation of state from mass-radius observations of neutron stars. We show that the results are compatible with those from earlier works based on conventional methods, and are in agreement with the limits on tidal deformabilities obtained from the gravitational wave event, GW170817. We also observe that the resulting squared speed of sound from the reconstructed EoS features a peak, indicating a likely convergence to the conformal limit at asymptotic densities, as expected from quantum chromodynamics. The novel algorithm can also be applied across various fields faced with computational challenges in solving inverse problems. We further examine the efficiency of deep learning methods for analyzing gravitational waves from compact binary coalescences in this thesis. In particular, we develop a deep learning classifier to segregate simulated gravitational wave data into three classes: signals from binary black hole mergers, signals from binary neutron star mergers, or white noise without any signals. A second deep learning algorithm allows for the regression of chirp mass and combined tidal deformability from simulated binary neutron star mergers. An accurate estimation of these parameters is crucial to constrain the underlying EoS. Lastly, we explore the effects of finite temperatures on the binary neutron star merger remnant from GW170817. Isentropic EoSs are used to infer the frequencies of the rigidly rotating remnant and are noted to be significantly lower compared to previous estimates from zero temperature EoSs. Overall, this thesis presents novel deep learning methods to constrain the neutron star EoS, which will prove useful in future, as more observational data is expected in the upcoming years.
Determination of the structure of complex I of Yarrowia lipolytica by single particle analysis
(2004)
Komplex I enthält ein Flavinmononukleotid sowie mindestens acht Eisen- Schwefel Zentren als redoxaktive Cofaktoren. Da ein wesentlicher Teil des mitochondrialen Genoms für Untereinheiten von Komplex I codiert, betrifft eine Vielzahl von mitochondrialen Erkrankungen diesen Enzymkomplex.
Komplex I wurde bisher aus Mitochondrien, Chloroplasten und Bakterien isoliert. Die Minimalform von Komplex I wird in Bakterien gefunden, wo er aus 14 (bzw 13 im Falle einer Genfusion) Untereinheiten besteht und eine Masse von etwa 550 kDa aufweist. Generell werden sieben hydrophile und sieben hydrophobe Untereinheiten mit über 50 vorhergesagten Transmembranhelices gefunden. Im Komplex I aus Eukaryoten wurde eine grössere Anzahl zusätzlicher, akzessorischer Untereinheiten nachgewiesen. Hier werden die sieben hydrophoben Untereinheiten vom mitochondrialen Genom codiert, während alle anderen Untereinheiten kerncodiert sind und in das Mitochondrium importiert werden müssen.
Die obligat aerobe Hefe Yarrowia lipolytica wurde als Modellsystem zur Untersuchung von eukaryotischem Komplex I etabliert. Die bisher am besten untersuchte Hefe Saccharomyces cerevisiae enthält keinen Komplex I. Hier wird die Oxidation von NADH durch eine andere Klasse von sogenannten alternativen NADH Dehydrogenasen durchgeführt. Auch Y. lipolytica enthält ein solches alternatives Enzym, das allerdings mit seiner Substratbindungsstelle zur Aussenseite der inneren Mitochondrienmembran orientiert ist. Durch molekularbiologische Manipulation konnte eine interne Version dieses Enzymes exprimiert werden, wodurch es möglich ist, letale Defekte in Komplex I Deletionsmutanten zu kompensieren. Mittlerweile wurden alle Voraussetzungen geschaffen, um kerncodierte Untereinheiten von Komplex I aus Y. lipolytica gezielt genetisch zu verändern. Die Proteinreinigung wird durch die Verwendung einer auf einem His-tag basierenden Affinitätsreinigung erheblich erleichtert...
The core of this work is represented by the investigation of the chiral phase transition, using Monte Carlo simulations and unimproved staggered fermions, both in the weak and strong coupling regimes of Quantum Chromodynamics. Based on recent results from Monte Carlo simulations, both using unimproved staggered fermions and Wilson fermions, the chiral phase transition in the continuum and chiral limit shows compatibility with a second-order phase transition for Nf (number of flavours) in range [2:7], at zero baryon chemical potential. This achievement relies on the analytic continuation of Nf to non-integer values on the lattice, which allows to make use of extrapolation techniques to the chiral limit, where simulations are not possible. Furthermore, these results provide a resolution to the ambiguous scenario for Nf = 2 in the chiral limt. The first part of this thesis is devoted to the investigation of the chiral phase transition when a non-zero imaginary baryon chemical potential is involved, whose value corresponds to the 81% of the Roberge-Weiss one. Using the same extrapolation techniques aforementioned, the order of the chiral phase transition in the continuum and chiral limit shows compatibility with a second-order phase transition for Nf in range [2:6], highlighting a lack of dependence of the order of the chiral phase transition on the imaginary baryon chemical potential value. The second part of this thesis is about the study of the extension of the first-order chiral region in the strong coupling regime, at zero baryon chemical potential. Using Monte Carlo techniques, this can be done by investigating the Z2 boundary on a coarse lattice, whose temporal extent reads Nt = 2, and simulations are realised for Nf = 4, 8. The results in the weak coupling regime show, for $Nt = 8, 6, 4 and fixed Nf value, an inflating first-order chiral region. As in the strong coupling limit a second-order chiral phase transition is expected, the first-order chiral region has to shrink as the strong coupling regime is approached, resulting in a non-monotonic behaviour of the Z2 boundary. For Nf = 8, a critical mass on the Z2 boundary has been obtained, confirming the expected non-monotonic behaviour. For Nf = 4 the results do not provide a unique conclusion: Either a Z2 boundary at extremely low bare quark mass or a second-order chiral phase transition in the O(2) universality class in the chiral limit can take place. In addition to the two main topics, the performances of the second-order minimum norm integrator (2MN) and the fourth-order minimum norm integrator (4MN) have been compared, after implementing the 4MN one in the CL2QCD code used to realise our simulations. The 2MN integrator had already been implemented in the code since the first version was released. The two integrators belong to the class of symplectic integrators and represent an essential component of the RHMC algorithm, involved in our investigation. This step is extremely important, in order to guarantee the best quality when collecting data from simulations, and the results of the comparison suggested to favor the 2MN integrator, for both the topics.
A powerful technique to distinguish the enantiomers of a chiral molecule is the Coulomb Explosion Imaging (CEI). This technique allows us to determine the handedness of a single molecule. In CEI, the molecule becomes charged by losing many electrons in a very short period of time by interacting with the light. The repulsion forces between the positive charged particles of the molecule leads the molecule to break into parts-fragments. By measuring the three vector momentum of (at least) four fragments, the handedness observable can be determined. In this thesis, CEI is induced by absorption of a single high energy photon, which creates an inner-shell hole (K shell) of the molecule. The subsequent cascade of Auger decays lead to fragmentation. We decided to work with the formic acid molecule in this thesis. Two different experiments were conducted. The first experiment focused on exciting electrons to different energy states, while the second experiment focused on extracting directly a photoelectron to the continuum and measure the angular distribution of the photoelectron in the molecular frame. The primary goal was to search for chiral signal in a pure achiral planar molecule under the previous electron processes. The results of these findings were further implemented to two more molecules.
In the framework of the LHC Injectors Upgrade Project (LIU), the CERN Proton Synchrotron Booster (PSB) went through major upgrades resulting in new effects to study, challenges to overcome and new parameter regimes to explore. To assess the achievable beam brightness limit of the machine, a series of experimental and computational studies in the transverse planes were performed. In particular, the new injection scheme induces optics perturbations that are strongly enhanced near the half-integer resonance. In this thesis, methods for dynamically measuring and correcting these perturbations and their impact on the beam performance will be presented. Additionally, the quality of the transverse beam distributions and strategies for improvement will be addressed. Finally, the space charge effects when dynamically crossing the half-integer resonance will be characterized. The results of these studies and their broader significance beyond the PSB will be discussed.
This thesis provides a detailed derivation of dissipative spin hydrodynamics from quantum field theory for systems composed of spin-0, spin-1/2, or spin-1 particles.
The Wigner function formalism is introduced for quantum fields in the respective representations of the Poincaré group, and the conserved currents, i.e., the energy-momentum tensor and the total angular momentum tensor, in various so-called pseudogauges are derived. An expansion around the semiclassical limit in powers of the Planck constant is performed.
Subsequently, kinetic equations are obtained for binary elastic scattering, using both the de Groot-van Leeuwen-van Weert and Kadanoff-Baym method, with the latter retaining the effect of quantum statistics. The resulting collision term features both local and nonlocal contributions, with the latter providing a relaxation mechanism for the spin degrees of freedom of the quasiparticles. The local-equilibrium distribution function is derived from the requirement that the local part of the collision term vanishes.
From quantum kinetic theory, dissipative spin hydrodynamics is then constructed via the method of moments, extended to particles with spin. The system of moment equations is closed via the Inverse-Reynolds Dominance (IReD) approach, resulting in a set of equations of motion describing the evolution of both ideal and dissipative degrees of freedom. The application to polarization phenomena relevant to heavy-ion collisions is discussed.
In this thesis, the flow coefficients vn of the orders n = 1 − 6 are studied for protons and light nuclei in Au+Au collisions at Ebeam = 1.23 AGeV, equivalent to a center-of-mass energy in the nucleon-nucleon system of √sNN = 2.4 GeV. The detailed multi-differential measurement is performed with the HADES experiment at SIS18/GSI. HADES, with its large acceptance, covering almost full azimuth angle, combined with its high mass-resolution and good particle-identification capability, is well equipped to study the azimuthal flow pattern not only for protons, deuterons, and tritons but also for charged pions, kaons, the φ-mesons, electrons/positrons, as well as light nuclei like helions and alphas. The high statistics of more than seven billion Au-Au collisions recorded in April/May 2012 with HADES enables for the first time the measurement of higher order flow coefficients up to the 6th harmonic. Since the Fourier coefficient of 7th and 8th order are beyond the statistical significance only an upper bound is given. The Au+Au collision system is the largest reaction system with the highest particle multiplicities, which was measured so far with HADES. A dedicated correction method for the flow measurement had to be developed to cope with the reconstruction in-efficiencies due to occupancies of the detector system. The systematical bias of the flow measurement is studied and several sources of uncertainties identified, which mainly arise from the quality selection criteria applied to the analyzed tracks, the correction procedure for reconstruction inefficiencies, the procedures for particle identification (PID) and the effects of an azimuthally non-uniform detector acceptance. The systematic point-to-point uncertainties are determined separately for each particle type (proton, deuteron and triton), the order of the flow harmonics vn, and the centrality class. Further, the validity of the results is inspected in the range of their evaluated systematic uncertainties with several consistency checks. In order to enable meaningful comparisons between experimental observations and predictions of theoretical models, the classification of events should be well defined and in sufficiently narrow intervals of impact parameter. Part of this work included the implementation of the procedure to determine the centrality and orientation of the reaction.
In the conclusion the experimental results are discussed, including various scaling properties of the flow harmonics. It is found that the ratio v4/v2 for protons and light nuclei (deuterons and tritons) at midrapidity for all centrality classes approaches values close to 0.5 at high transverse momenta, which was suggested to be indicative for an ideal hydrodynamic behaviour. A remarkable scaling is observed in the pt dependence of v2 (v4) at mid-rapidity of the three hydrogen isotopes, when dividing by their nuclear mass number A (A^2) and pt by A. This is consistent with naive expectations from nucleon coalescence, butraises the question whether this mass ordering can also be explained by a hydrodynamical-inspired approach, like the blast-wave model. The relation of v2 and v4 to the shape of the initial eccentricity of the collision system is studied. It is found that v2 is independent of centrality for all three particle species after dividing it by the averaged second order participant eccentricity v2/⟨ε2⟩. A similar scaling is shown for v4 after division by ⟨ε2⟩^2.
This thesis contains three theoretical works about certain aspects of the interplay of electronic correlations and topology in the Hubbard model.
In the first part of this thesis, the applicability of elementary band representations (EBRs) to diagnose interacting topological phases, that are protected by spatial symmetries and time-reversal-symmetry, in terms of their single-particle Matsubara Green’s functions is investigated. EBRs for the Matsubara Green’s function in the zero-temperature limit can be defined via the topological Hamiltonian. It is found that the Green’s function EBR classification can only change by (i) a gap closing in the spectral function at zero frequency, (ii) the Green’s function becoming singular i.e. having a zero eigenvalue at zero frequency or (iii) the Green’s function breaking a protecting symmetry. As an example, the use of the EBRs for Matsubara Green’s functions is demonstrated on the Su-Schriefer-Heeger model with exact diagonalization.
In the second part the Two-Particle Self-Consistent approach (TPSC) is extended to include spin-orbit coupling (SOC). Time-reversal symmetry, that is preserved in the presence of SOC, is used to derive new TPSC self-consistency equations including SOC. SOC breaks spin rotation symmetry which leads to a coupling of spin and charge channel. The local and constant TPSC vertex then consists of three spin vertices and one charge vertex. As a test case to study the interplay of Hubbard interaction and SOC, the Kane-Mele-Hubbard model is studied. The antiferromagnetic spin fluctuations are the leading instability which confirms that the Kane-Mele-Hubbard model is an XY antiferromagnet at zero temperature. Mixed spin-charge fluctuations are found to be small. Moreover, it is found that the transversal spin vertices are more strongly renormalized than the longitudinal spin vertex, SOC leads to a decrease of antiferromagnetic spin fluctuations and the self-energy shows dispersion and sharp features in momentum space close to the phase transition.
In the third part TPSC with SOC is used to calculate the spin Hall conductivity in the Kane-Mele-Hubbard model at finite temperature. The spin Hall conductivity is calculated once using the conductivity bubble and once including vertex corrections. Vertex corrections for the spin Hall conductivity within TPSC corresponds to the analogues of the Maki-Thompson contributions which physically correspond to the excitation and reabsorption of a spin, a charge or a mixed spin-charge excitation by an electron. At all temperatures, the vertex corrections show a large contribution in the vicinity of the phase transition to the XY antiferromagnet where antiferromagnetic spin fluctuations are large. It is found that vertex corrections are crucial to recover the quantized value of −2e^2/h in the zero-temperature limit. Further, at non-zero temperature, increasing the Hubbard interaction leads to a decrease of the spin Hall conductivity. The results indicate that scattering of electrons off antiferromagnetic spin fluctuations renormalize the band gap. Decreasing the gap can be interpreted as an effective increase of temperature leading to a decrease of the spin Hall conductivity.
In this work I investigate two different systems - spin systems and charge-density-waves. The same theoretical method is used to investigate both types of system. My investigations are motivated by experimental investigations and the goal is to describe the experimental results theoretically. For this purpose I formulate kinetic equations starting from the microscopical dynamics of the systems.
First of all, a method is formulated to derive the kinetic equations diagrammatically. Within this method an expansion in equal-time connected correlation functions is carried out. The generating functional of connected correlations is employed to derive the method.
The first system to be investigated is a thin stripe of the magnetic insulator yttrium-iron-garnet (YIG). Magnons are pumped parametrically with an external microwave field. The motivation of my theoretical investigations is to explain the experimental observations. In a small parameter range close to the confluence field strength where confluence processes of two parametrically pumped magnons with the same wave vector becomes kinematically possible the efficiency of the pumping is reduced or enhanced depending on the pumping field strength. Because it is expected that that confluence and splitting processes of magnons are essential for the experimental observations I go beyond the kinetic theories that are conventionally applied in the context of parametric excitations in YIG and investigate the influence of cubic vertices on the parametric instability of magnons in YIG.
Furthermore, the influence of phonons is investigated. Usually in the literature these are taken into account as heat bath. Here, I want to explain experiments where an accumulation of magnetoelastic bosons - magnon-phonon-quasi-particles - has been observed. I employ the method of kinetic equations to investigate this phenomenon theoretically. The kinetic theory is able to reproduce the experimental observations and it is shown that the accumulation of magnetoelastic bosons is purely incoherent.
Finally, charge-density waves (CDW) in quasi-one-dimensional materials will be investigated. Charge-density waves emerge from a Peierls-instability and are a prime example for spontaneous symmetry breaking in solids. Again, the motivation for my theoretical investigations are an experiment where the spectrum of amplitude and phase phonon modes has been measured. Starting from the Fröhlich-Hamiltonian I derive kinetic equations and from these kinetic equations the equations of motion for the CDW order parameter can be derived. The frequencies and damping rates of amplitude and phase phonon modes will be derived from the linearized equations of motion. I compare my theory with existing methods. Furthermore, I also investigate the influence of Coulomb interaction.
This thesis investigates exotic phases within effective models for strongly interacting matter.
The focus lies on the chiral inhomogeneous phase (IP) that is characterized by a spontaneous breaking of translational symmetry and the moat regime, which is a precursor phenomenon exhibiting a non-trivial mesonic dispersion relation.
These phenomena are expected to occur at non-zero baryon densities, which is a parameter region that is mostly non-accessible to first-principle investigations of Quantum chromodynamics (QCD).
As an alternative approach, we consider the Gross-Neveu (GN) and Nambu-Jona-Lasinio (NJL) model within the mean-field approximation, which can be regarded as effective models for QCD.
We focus on two aspects of the moat regime and the IP in these models.
First, we investigate the influence of the employed regularization scheme in the (3+1)-dimensional NJL model, which is nonrenormalizable, i.e., the regulator cannot be removed.
We find that the moat regime is a robust feature under change of regularization scheme, while the IP is sensitive to the specific choice of scheme.
This suggests that the moat regime is a universal feature of the phase diagram of the NJL model, while the IP might only be an artifact of the employed regulator.
Second, we study the influence of the number of spatial dimensions on the emergence of the IP.
To this end, we investigate the GN model in noninteger spatial dimensions d.
We find that the IP and the moat regime are present for d < 2, while they are absent for d > 2.
This demonstrates the central role of the dimensionality of spacetime and illustrates the connection of previously obtained results in this model in integer number of spatial dimensions.
Moreover, this suggests that the occurrence of these phenomena in three spatial dimensions is solely caused by the finite regulator.
In summary, this thesis contributes to advancing our understanding of the phase structure of QCD, particularly regarding the existence and characteristics of inhomogeneous phases and the moat regime.
Even though the investigations are performed within effective models, they provide valuable insight into the aspects that are crucial for the formation of an inhomogeneous chiral condensate in fermionic theories.
By combining two unique facilities at the Gesellschaft fuer Schwerionenforschung (GSI), the Fragment Separator (FRS) and the Experimental Storage Ring (ESR), the first direct measurement of a proton capture reaction of stored radioactive isotopes was accomplished. The combination of well-defined ion energy, an ultra-thin internal gas target, and the ability to adjust the beam energy in the storage ring enables precise, energy-differentiated measurements of the (p,gamma) cross sections. The new setup provides a sensitive method for measuring (p,gamma) reactions relevant for nucleosynthesis processes in supernovae, which are among the most violent explosions in the universe and are not yet well understood. The cross sections of the 118Te(p,gamma) and 124Xe(p,gamma) reactions were measured
at energies of astrophysical interest. The heavy ions were stored with energies of 6 MeV/nucleon and 7 MeV/nucleon and interacted with a hydrogen gas-jet target.
The produced proton-capture products were detected with a double-sided silicon strip detector. The radiative recombination process of the fully stripped ions and electrons from the hydrogen target was used as a luminosity monitor.
Additionally, post-processing nucleosynthesis simulations within the NuGrid [1] research platform have been performed. The impact of the new experimental results on the p-process nucleosynthesis around 124Xe and 118Te in a core-collapse supernova was investigated. The successful measurement of the proton capture cross sections of radioactive isotopes rises the motivation to proceed with experiments in lower energy regions.
[1] M. Pignatari and F. Herwig, “The nugrid research platform: A comprehensive simulation approach for nuclear astrophysics,” Nuclear Physics News, vol. 22, no. 4, pp. 18–23, 2012.
In this thesis, we present a detailed consideration of both qualitative and quantitative properties of static spherically symmetric solutions of the Einstein equations with self-interacting scalar fields. Our focus is on solutions with naked singularities. We study the qualitative properties of the solutions of the Einstein equations with real static self-interacting $N$ scalar fields, making some assumptions on self-interaction. We provide a rigorous proof that the corresponding solutions will be regular up to $r=0$. Furthermore, we find the rigorous form of asymptotic solutions near the singularity and at spatial infinity. We construct some examples of spherical-like naked singularities at $r=r_s\neq0$ in curvature coordinates.
We analyze the stability of the previously considered solutions against odd-parity gravitational perturbations and also examine the fundamental quasi-normal modes spectra. For the general class of the self-interaction potential, we demonstrate well-posedness of the initial problem and stability for positively defined potentials. As an example, we numerically study the case of the scalar field with power-law self-interaction potential and find the fundamental quasi-normal modes frequencies. We demonstrate that they differ from the standard Schwarzschild black hole case.
We study in detail the motion of particles in the vicinity of previously considered solutions. Mainly, we are interested in considering properties of the distribution of stable circular orbits around the corresponding configurations and images of the accretion disk for a distant observer. For all cases, we find possible types of stable circular orbit distributions and domains of parameters where they are realized.
We also demonstrate that the presence of self-interaction can lead to a new type of circular orbit distributions, which is absent in the linear massless scalar field case. We build Keplerian disk images in the plane of a distant observer and demonstrate the possibility to mimic the shadows of black holes.
In this thesis, the early time dynamics in a heavy ion collision of Pb-Nuclei at LHC center-of-mass energies of 5 TeV is studied. Right after the collision the system is out-of-equilibrium and essentially gluon dominated, with their density saturating at a specific momentum scale Q_s. Based on a separation of scales for the soft and hard gluonic degrees of freedom, the initial state is given from an effective model, known as the Color Glass Condensate. Within this model, the soft gluons behave classical to leading order, making it possible to study their dynamics in gauge invariant fashion on a three dimensional lattice, solving Hamiltonian field equations of motion, keeping real time. Quark-Antiquark pairs are produced in the gluonic medium, known as the Glasma and manifest themselves as a source of quantum fluctuations.
They enter the dynamics of the gluons as a current, making the system semi-classical. In lattice simulations, the non-equilibrium system is tested for pressure isotropization, which is a necessary ingredient to reach a local thermal equilibrium (LTE), making a hydrodynamical description at a later stage possible. In addition, the occupation of energy modes is studied with its implications on thermalization and classicality.
Das Experiment ALICE (A Large Ion Collider Experiment) am CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) LHC (Large Hadron Collider) fokussiert sich auf die Untersuchung stark wechselwirkender Materie unter extremen Bedingungen. Solche Bedingungen existierten wenige Mikrosekunden nach dem Urknall, als die Temperaturen so hoch waren, dass Partonen (Quarks und Gluonen) nicht zu farbneutralen Hadronen gebunden waren. In solch einem Quark-Gluon-Plasma können sich die Partonen frei bewegen, wobei sie allerdings mit anderen Partonen aus dem Medium stark wechselwirken. Am LHC werden Bleikerne auf ultra-relativistische Energien von bis zu 2.68 TeV beschleunigt und zur Kollision gebracht, wobei für weniger als 10 fm/c ein QGP entsteht, das schnell expandiert. Die Partonen hadronisieren, wenn das QGP sich auf Temperaturen von weniger als der Phasenübergangstemperatur von ≈155MeV abkühlt. Die finalen Teilchen- und Impulsverteilungen werden werden vom ALICE Detektor gemessen und geben Aufschluss auf elementare Prozesse im QGP.
Die TPC (Time Projection Chamber ) ist eines der wichtigsten Detektorsysteme von ALICE. Sie trägt maßgeblich zur Rekonstruktion von Teilchenspuren und zur Identifikation der Teilchensorten bei mittleren Rapiditäten bei. Die TPC ist eine große zylindrische Spurendriftkammer und besteht aus einem 88mˆ3 großen Gasvolumen, das von der zentralen Hochspannungselektrode in zwei Seiten geteilt wird. Durchquert ein Teilchen das Gasvolumen, ionisiert es entlang seiner Spur eine spezifische Menge von Gasatomen. Die Ionisationselektronen driften entlang des extrem homogenen elektrischen Feldes zu den Auslesekammern an den Endkappen auf beiden Seiten der TPC. Die Messung der Position und der Menge der Ionisationselektronen erlaubt die Rekonstruktion der Teilchenspur sowie, in Kombination mit der Impulsmessungen über die Krümmung der Teilchenspur im Magnetfeld, die Bestimmung der Teilchensorte über den spezifischen Energieverlust pro Wegstrecke im Gas. Das Gasvolumen der TPC war in LHC Run 1 (2010–2013) mit Ne-CO_2 (90-10) gefüllt. Die Gasmischung wurde zu Ar-CO_2 (88-12) für Run 2 (2015–2018) geändert. Als Auslesekammern wurden Vieldrahtproportionalkammern verwendet, die aus einer segmentierten Ausleseebene, einer Anodendrahtebene, einer Kathodendrahtebene und einem Gating-Grid (GG) bestehen. Das GG is eine zusätzliche Drahtebene, die durch zwei verschiedene Spannungseinstellungen transparent oder undurchlässig für Elektronen und positive Ionen geschaltet werden kann.
In den ersten Daten von Run 2 bei hohen Interaktionsraten wurden große Verzerrungen der gemessenen Spurpunkte beobachtet, die auf Grund von Verzerrungen des Driftfeldes auftreten und nicht von Daten aus Run 1 bekannt waren. Diese Verzerrungen treten nur sehr lokal an den Grenzen von manchen der inneren Auslesekammern (IROCs) auf. Zudem wurden auch große Verzerrungen in einer (C06) der äußeren Auslesekammern (OROCs) festgestellt, die sich bei einem bestimmten Radius über die ganze Breite der Kammer erstrecken. Die Ergebnisse dieser Arbeit befassen sich mit der Untersuchung jener Verzerrungen und ihrer Ursache, sowie mit der Entwicklung von Strategien um die Verzerrungen zu minimieren.
Messungen der Verzerrungen in den IROCs und Vergleiche mit Simulationen lassen darauf schließen, dass die Verzerrungen von positiver Raumladung hervorgerufen werden, die durch Gasverstärkung an sehr begrenzten Regionen der Auslesekammern entsteht und sich durch das Driftvolumen bewegt. Es werden charakteristische Abhängigkeiten von der Interaktionsrate sowie systematische Veränderungen bei Umkehrung der Orientierung des Magnetfeldes gemessen. Eine erneute Analyse von Run 1 Daten mit den Methoden aus Run 2 zeigt, dass die Verzerrungen bereits in Run 1 auftraten, jedoch durch die Ne-Gasmischung und niedrigere Interaktionsraten um eine Größenordnung kleiner waren. Neue Daten aus Run 2, für die die Gasmischung zeitweise wieder von Ar-CO_2 zu Ne-CO_2- N_2 geändert wurde, bestätigen die Ergebnisse der Run 1 Datenanalyse. Der Ursprung der Raumladung wird systematisch eingegrenzt. Es werden einzelne IROCs identifiziert, an deren Anodendrähten die Raumladung entsteht. Physikalische Modelle ermöglichen es, die Entstehung der Raumladung auf das Volumen zurückzuführen, das sich zwischen zwei IROCs befindet. Damit besteht die Vermutung, dass einzelne Spitzen von Anodendrähten am äußeren Rand dieser IROCs in das Gasvolumen hineinragen und somit hohe elektrische Felder erzeugen, an denen Gasverstärkung stattfindet. Die positiven Ionen können dann ungehindert in das Driftvolumen gelangen. Um diesen Effekt zu unterdrücken, wird das Potential der Cover-Elektroden angepasst, die sich auf den Befestigungsvorrichtungen der Drahtebenen an den Kammerrändern befinden. Dadurch kann die Menge von Ionisationselektronen, die in das Volumen zwischen zwei IROCs hineindriftet und vervielfacht wird, eingeschränkt werden. Über elektro-statische Simulationen und Messungen wird eine Einstellung für das Cover-Elektroden-Potential gefunden, mit der die Verzerrungen auf 30 % reduziert werden können. Die Verzerrungen in OROC C06 entstehen durch positive Ionen, die aus der Verstärkungsregion in das Driftvolumen gelangen, da an dieser bestimmten Stelle zwei aufeinanderfolgende GG-Drähte den Kontakt verloren haben. Die Verzerrungen werden um mehr als einen Faktor 3 reduziert, indem die Hochspannung der Anodendrähte um 50 V und somit der Gasverstärkungsfaktor um einen Faktor 2 verringert wird und indem das Potential der noch funktionierenden GG-Drähte erhöht wird.
Zusammenfassend konnten die lokalen Raumladungsverzerrungen für die letzte Pb−Pb Strahlzeit von Run 2 auf weniger als 1cm bei den höchsten Interaktionsraten verringert werden. Zudem wurde der Anteil des von Raumladungsverzerrungen betroffenen Volumens der TPC signifikant verringert, sodass die ursprüngliche Auflösung der Spurrekonstruktion wieder erreicht werden konnte.
Experiments on Vibrational Energy Transfer (VET) in proteins contribute to our understanding of fundamental biological processes such as allostery, dissipation of excess energy, and possibly enzymatic catalysis. While these processes have been studied for a long time, many questions remain unanswered. The aim of this work was to expand the application of existing spectroscopic techniques to investigate VET, seeking tailored solutions for the diversity of proteins and amino acid environments. Additionally, new target proteins were to be established to broaden the spectrum of VET experiments towards the role of VET and low-frequency protein modes (LFMs).
To test their suitability as VET sensors, the non-canonical amino acids (ncAAs) Azidoalanine (N3Ala), azido-L-Homoalanine (Aha), p-azido-Phenylalanine (N3Phe), p-cyano-Phenylalanine (CNPhe), and 4-cyano-Tryptophan (CNTrp) were coupled to the VET donor β-(1-azulenyl)-L-Alanine (AzAla) in dipeptides. Their spectral properties were compared using FTIR and VET spectra in H2O, dimethyl sulfoxide, and tetrahydrofuran.
The solvent strongly influences the measured VET signals, which can be explained by the direct interaction of the solvent with the dipeptides. Additionally, the peak time within the subgroups of azide and nitrile sensors increased with the size of the side chain, indicating the dependence between peak time and the distance between VET donor and sensor. When incorporated into a protein, solvent interactions are less dominant. Therefore, Aha, N3Phe, and CNPhe were additionally incorporated at two different positions in the PDZ protein domain and investigated. Due to Fermi resonances, signals from azide sensors are challenging to predict, unlike those of the nitrile sensors.
Overall, the experiments showed that nitrile groups can serve well as VET sensors, as their lower extinction coefficient is compensated for by a narrower bandwidth. This expands the number of potential target proteins, and sensor incorporation can be less disruptive at various protein locations.
Since the VET donor AzAla can inject the energy of a photon into a protein as vibrational energy at a specific location, it can also be used for the targeted excitation of LFMs. If these modes are involved in an enzymatic reaction, a direct influence on activity is expected. This hypothesis has long existed but has not been definitively verified. Some studies have found evidence for the involvement of LFMs in formate dehydrogenase (FDH) catalysis. Therefore, FDH was chosen for the investigation of LFMs in enzymes. This specific system additionally allows the use of a natural VET sensor: it forms a stable complex with NAD+ and N3-, an excellent IR marker. Thus, it provided the opportunity to test low-molecular-weight non-covalent ligands as VET sensors.
After ensuring sufficient AzAla supply through the internal establishment of an enzymatic synthesis, AzAla could be incorporated at various positions in FDH. Despite spectral overlap between free and bound N3-, the latter could be identified by its narrower FWHM. For some variants, no binding could be observed. Circular dichroism spectra showed that these variants structurally deviate slightly from other variants and the wild type (WT). VET could be observed over 22 Å from two regions of the protein to the N3- bound in the active center, at protein concentrations of below 2 mM. Unbound N3- did not generate signals, allowing it to be added in excess ensuring the saturation of the protein in VET experiments.
The activity of FDH WT and four AzAla mutants was investigated under substrate saturation without and with AzAla excitation. In these experiments, a slight reduction in activity under illumination was observed, even for the WT, who is not expected to interact with the excitation light. So far, a difference in sample temperature cannot be excluded as the cause for this decline.
The presented experiments with FDH illustrate the potential of low-molecular-weight ligands as VET sensors, with N3- being particularly attractive due to its simple structure (preventing Fermi resonances) and its high extinction coefficient. Its use can add many metalloproteins as potential targets for VET experiments and allows investigation without a VET sensor ncAA. Additionally, initial experiments were conducted to measure light-dependent FDH activity. By specifically exciting protein LFMs, this project could contribute in the future to answering longstanding questions about the extraordinary catalytic efficiency of enzymes.
Binary neutron star mergers represent unique observational phenomena because all four fundamental interactions play an important role at various stages of their evolution by leaving imprints in astronomical observables. This makes their accurate numerical modeling a challenging multiphysics problem that promises to increase our understanding of the high-energy astrophysics at play, thereby providing constraints for the underlying fundamental theories such as the gravitational interaction or the strong interaction of dense matter. For example, the first and so far only multi-messenger observation of the binary neutron star merger GW170817 resulted in numerous bounds on the parameters of isolated non-rotating neutron stars, e.g., their maximum mass or their distribution in radii, which can be directly used to constrain the equation of state of cold nuclear matter. While many of these results stem from the observation of the inspiral gravitational-wave signal, the postmerger phase of binary neutron star mergers encodes even more details about the extreme physics of hot and dense neutron star matter. In this Thesis we focus on the exploration of dissipative and shearing effects in binary neutron star mergers in order to identify novel approaches to constrain hot and dense neutron star matter.
The first effect is the well-motivated dissipation of energy due to the bulk viscosity which arises from violations of weak chemical equilibrium. We start by exploring the impact of bulk viscosity on black-hole accretion. This simplified problem gives us the opportunity to develop a test case for future codes taking into account the effects of dissipation in a fully general-relativistic setup and build intuition in the physics of relativistic dissipation. Next, we move on to isolated neutron stars and binary neutron star mergers by developing a robust implementation of bulk-viscous dissipation for numerical relativity simulations. We test our implementation by calculating the damping of eigenmodes of isolated neutron stars and the violent migration scenario. Finally, we present the first results on the impact of bulk viscosity on binary neutron star mergers. We identify a number of ways how bulk viscosity impacts the postmerger phase, out of which the suppression of gravitational-wave emission and dynamical mass ejection are the most notable ones.
In the last part of this Thesis we investigate how the shearing dynamics at the beginning of the merger affects the amplification of different initial magnetic-field topologies. We explore the hypothesis that magnetic fields which are located only in a small region near the stellar surface prior to merger lead to a weaker magnetic-field amplification. We show first evidence which confirms this hypothesis and discuss possible implications for constraining the physics of superconduction in cold neutron stars.
This work focuses on the investigation of K+, K- and ϕ-meson production in Ag(1.58 A GeV)+Ag collisions. The energetically cheapest channel for direct K+ production in binary NN-collisions NN→NΛK+ lies at exactly this energy. For the remaining K- and ϕ-mesons, an excess energy of 0.31 GeV and 0.34 GeV in the centre of mass system has to be provided by the system. This makes these particles an excellent probe for effects inside the medium.
K+ and K- mesons can be reconstructed directly as they possess a cτ of approximately 3.7 m. Using the approximately 3 billion recorded Ag(1.58 A GeV)+Ag 0-30% most central collision events, all reconstructed K+ and K- within the detector acceptance are investigated for their kinematic properties and their particle production rates compared to a selection of existing models.
The Compressed Baryonic Matter (CBM) is one of the core experiments at the future Facility for Anti-proton and Ion Research (FAIR), Darmstadt, Germany. Its goal is to investigate nuclear matter characteristics at high net-baryon densities and moderate temperatures. The Silicon Tracking System (STS) is a central detector system of CBM.
It is placed inside a 1Tm magnet and operated at a temperature of about −10 °C to keep radiation-induced bulk current in the 300μm double-sided microstrip silicon sensors low. The design of the STS aims to minimize the material budget in the detector acceptance (2.5° < θ < 25°). In order to do so, the readout electronics is placed outside the active area, and the analog signals are transported via ultra-thin micro-cables. The STS comprises eight tracking stations with 876 modules. Each module is assembled on a carbon fiber ladder, which is subsequently mounted in the C-shaped aluminum frame.
The scope of the thesis focused on developing a modular control system framework that can be implemented for different sizes of experimental setups. The developed framework was used for setups that required a remote operation, like the irradiation of the powering modules for the front-end electronics (FEE), but also in laboratory-based setups where the automation and archiving were needed (thermal cycling of the STS electronics).
The low voltage powering modules will be placed in the vicinity of the experiment, therefore they will experience a total dose of up to 40mGy over the 10 years of STS lifetime.
To estimate the effects of the radiation on the low-voltage module performance, a dedicated irradiation campaign took place. It aimed at estimating the rate of radiation induced soft errors, that lead to the switch off of the FEE.
Regular power cycles of multiple front-end boards (FEBs) pose a risk to the experiment operation. Firstly, such behavior could negatively influence the physics performance but also have deteriorating effects on the hardware. It was further assessed what are the limitations of the FEBs with respect to the thermal cycling and the mechanical stress. The results served as an indication of possible failure modes of the FEB at the end of STS lifetime. Failure modes after repeated cycles and potential reasons were determined (e.g., Coefficient of Thermal Expansion (CTE) difference between the materials).
Due to the conditions inside the STS efficient temperature and humidity monitoring and control are required to avoid icing or water condensation on the electronics or silicon sensors. The most important properties of a suitable sensor candidate are resilience to the magnetic field, ionizing radiation tolerance, and fairly small size.
A general strategy for ambient parameters monitoring inside the STS was developed, and potential sensor candidates were chosen. To characterize the chosen relative humidity sensors the developed control framework was introduced. A sampling system with a ceramic sensor and Fiber Optic Sensors (FOS) were identified as reliable solutions for the distributed sensing system. Additionally, the industrial capacitive sensors will be used as a reference during the commissioning.
Two different designs of FOS were tested: a hygrometer and 5 sensors multiplexed in an array. The FOS hygrometer turned out to be a more reliable solution. One of the possible reasons for a worse performance is a relatively low distance between the subsequent sensors (15 cm) and a thicker coating. The results obtained from the time response study pointed out that the thinner coating of about 15μm should be a good compromise between the humidity sensitivity and the time response.
The implementation of the containerized-based control system framework for the mSTS is described in detail. The deployed EPICS-based framework proved to be a reliable solution and ensured the safety of the detector for almost 1.5 years. Moreover, the data related to the performance of the detector modules were analyzed and significant progress in the quality of modules was noted. Obtained data was also used to estimate the total fluence, which was based on the leakage current changes.
The developed framework provided a unique opportunity to automate and control different experimental setups which provided crucial data for the STS. Furthermore, the work underlines the importance of such a system and outlines the next steps toward the realization of a reliable Detector Control System for STS.
In the last twenty years, a variety of unexpected resonances had been observed within the charmonium mass region. Although the existence of unconventional states has been predicted by the quantum chromodynamics (QCD), a quantum field theory describing the strong force, a clear evidence was missing. The Y(4260) is such an unexpected and supernummerary state, first observed at BaBar in 2005, and aroused great interest, because it couples much stronger to hidden charm decays (charm-anticharm states like J/Psi or h_c) instead of open charm decays (D meson pairs). This is unusual for states with masses above the D anti-D threshold. Furthermore, it decays into a charged exotic state Y(4260)->Z_c(3900)^+- pi^-+. The charge of the Z_c(3900)^+- is an indication that it comprises of two more quarks than the charm-anticharm pair, and could therefore be assumed to be a four-quark state. Due to these still not understood properties of these QCD-allowed states, they are referred to as exotic XYZ states to emphasize their particularity.
In 2017, the collaboration of the Beijing Spectrometer III (BESIII) investigated the production reaction of the Y(4260) resonance based on a high-luminosity data set. This significantly improved precision of the measurement of the cross-section sigma(e+e- -> J/Psi pi^+ pi^-) permitted a resolution into two resonances, the Y(4230) and the Y(4360). The Z_c(3900)^+- had been discovered by the BESIII collaboration in 2013, thus this experiment at the Beijing Electron-Positron Collider II (BEPCII) is a top-performing facililty to study exotic charmonium-like states.
In this work, an inclusive reconstruction of the strange hyperon Lambda in the charmonium mass region is performed to study possible decays of Y states in order to provide further insight into their nature. Finding more states or new decay channels may provide crucial hints to understand the strong interaction beyond nonperturbative approaches.
Three resonances are observed in the energy dependent cross-section: the first with a mass of (4222.01 +- 5.68) MeV and a width of (154.26 +- 28.16) MeV, the second with a mass of (4358.88 +- 4.97) MeV and a width of (49.58 +- 13.54) MeV and the third with a mass of (4416.41 +- 2.37) MeV and a width of (23.88 +- 7.18) MeV. These resonances, with a statistical significance Z > 5sigma, can be interpreted as the states Y(4230), Y(4360) and psi(4415).
Additionally, a proton momentum-dependent analysis strategy has been used in terms of the inclusiveness of the reconstruction and to address the momentum discrepancies between generic MC and measured data.
This Ph. D. thesis with the title "Characterisation of laser-driven radiation beams: Gamma-ray dosimetry and Monte Carlo simulations of optimised target geometry for record-breaking efficiency of MeV gamma-sources" is dedicated to the study of the acceleration of electrons by intense sub-picosecond laser pulses propagating in a sub-millimeter plasma with near-critical electron density (NCD) and resulting generation of the gamma bremsstrahlung and positrons in the targets of different materials and thickness.
Laser-driven particle acceleration is an area of increasing scientific interest since the recent development of short pulse, high-intensity laser systems. The interaction of intense high-energy, short-pulse lasers with solid targets leads to the production of high-energy electrons in the relativistic laser intensity regime of more than 1018 W /cm2. These electrons play the leading role in the first stage of the interaction of laser with matter, which leads to the creation of laser sources of particles and radiation. Therefore, the optimisation of the electron beam parameters in the direction of increasing the effective temperature and beam charge, together with a slight divergence, plays a decisive role, especially for further detection and characterisation of laser-driven photon and positron beams.
In the context of this work, experiments were carried out at the PHELIX laser system (Petawatt High-Energy Laser for Heavy Ion eXperiments) at GSI Helmholtz Center for Heavy-Ion Research GmbH in Darmstadt, Germany. This thesis presents a thermoluminescence dosimetry (TLD) based method for the measurement of bremsstrahlung spectra in the energy range from 30 keV to 100 MeV. The results of the TLD measurements reinforced the observed tendency towards the strong increase of the mean electron energy and number of super-ponderomotive electrons. In the case of laser interaction with long-scale NCD-plasmas, the dose caused by the gamma-radiation measured in the direction of the laser pulse propagation showed a 1000-fold increase compared to the high contrast shots onto plane foils and doses measured perpendicular to the laser propagation direction for all used combinations of targets and laser parameters.
In this thesis I present novel characterisation method using a combination of TLD measurements and Monte Carlo FLUKA simulations applicable to laser-driven beams. The thermoluminescence detector-based spectrometry method for simultaneous detection of electrons and photons from relativistic laser-induced plasmas initially developed by Behrens et al. (Behrens et al., 2003) and further applied in experiments at PHELIX laser (Horst et al., 2015) delivered good spectral information from keV energies up to some MeV, but as it was presented in (Horst et al., 2015) this method was not really suitable to resolve the content of photon spectra above 10 MeV because of the dominant presence of electrons. Therefore, I created new evaluation method of the incident electron spectra from the readings of TLDs. For this purpose, by means of MatLab programming language an unfolding algorithm was written. It was based on a sequential enumeration of matching data series of the dose values measured by the dosimeters and calculated with of FLUKA-simulations. The significant advantage of this method is the ability to obtain the spectrum of incident electrons in the low energy range from 1 keV, which is very difficult to measure reliably using traditional electron spectrometers.
The results of the evaluation of the effective temperature of super-ponderomotive electrons retrieved from the measured TLD-doses by means of the Monte-Carlo simulations demonstrated, that application of low density polymer foam layers irradiated by the relativistic sub-ps laser pulse provided a strong increase of the electron effective temperature from 1.5 - 2 MeV in the case of the relativistic laser interaction with a metallic foil up to 13 MeV for the laser shots onto the pre-ionized foam and more than 10 times higher charge carried by relativistic electrons.
The progressive simulation method of whole electron spectra described with two -temperatures Maxwellian distribution function has been developed and the results of dose simulations were compared with the acquired experimental data. The advanced feature of this method, which distinguishes it from the results of the simulation of the photon spectrum using the interaction with the target of mono-energetic electron beams (Nilgün Demir, 2013; Nilgün Demir, 2019) or the initial electron spectrum expressed as a function of one electron temperature (Fiorini, 2012), is the ability to simulate the initial electron spectrum described by the Maxwellian distribution function with two temperatures.
The important objective of this thesis was dedicated to the study and characterisation of laser-driven photon beams. In addition to this, the positron beams were evaluated. The investigation of bremsstrahlung photons and positrons spectra from high Z targets by varying the target thickness from 10 µm to 4 mm in simulated models of the interactions of electron spectra with Maxwellian distribution functions allowed to define an optimal thickness when the fluences of photons and positrons are maximal. Furthermore based on the results of FLUKA simulations the gold material was found to be the most suitable for the future experiments as e − γ target because of its highest bremsstrahlung yield.
Additionally Monte Carlo simulations were performed applying the obtained electron beam parameters from the electron acceleration process in laser-plasma interactions simulated with particle-in-cell (PIC) code for two laser energies of 20 J and 200 J. The corresponding electron spectra were imported into a Monte Carlo code FLUKA to simulate the production process of bremsstrahlung photons and positrons in Au converter. FLUKA simulations showed the record conversion of efficiency in MeV gammas can reach 10%, which reinforces the generation of positrons. The obtained results demonstrate the advantages of long-scale plasmas of near critical density (NCD) to increase the parameters of MeV particles and photon beams generated in relativistic laser-plasma interaction. The efficiency of the laser-driven generation of MeV electrons and photons by application of low-density polymer foams is essentially enhanced.
Artificial intelligence in heavy-ion collisions : bridging the gap between theory and experiments
(2023)
Artificial Intelligence (AI) methods are employed to study heavy-ion collisions at intermediate collision energies, where high baryon density and moderate temperature QCD matter is produced. The experimental measurements of various conventional observables such as collective flow, particle number fluctuations, etc. are usually compared with expensive model calculations to infer the physics governing the evolution of the matter produced in the collisions. Various experimental effects and processing algorithms can greatly affect the sensitivity of these observables. AI methods are used to bridge this gap between theory and experiments of heavy-ion collisions. The problems with conventional methods of analyzing experimental data are illustrated in a comparative study of the Glauber MC model and the UrQMD transport model. It is found that the centrality determination and the estimated fluctuations of the number of participant nucleons suffer from strong model dependencies for Au-Au collisions at 1.23 AGeV. This can bias the results of the experimental analysis if the number of participant nucleons used is not consistent throughout the analysis and in the final model-to-data comparison. The measurable consequences of this model dependence of the number of participant nucleons are also discussed. In this context, PointNet-based AI models are developed to accurately reconstruct the impact parameter or the number of participant nucleons in a collision event from the hits and/or reconstructed track of particles in 10 AGeV Au-Au collisions at the CBM experiment. In the last part of the thesis, different AI methods to study the equation of state (EoS) at high baryon densities are discussed. First, a Bayesian inference is performed to constrain the density dependence of the EoS from the available experimental measurements of elliptical flow and mean transverse kinetic energy of mid rapidity protons in intermediate energy collisions. The UrQMD model was augmented to include arbitrary potentials (or equivalently the EoSs) in the QMD part to provide a consistent treatment of the EoS throughout the evolution of the system. The experimental data constrain the posterior constructed for the EoS for densities up to four times saturation density. However, beyond three times saturation density, the shape of the posterior depends on the choice of observables used. There is a tension in the measurements at a collision energy of about 4 GeV. This could indicate large uncertainties in the measurements, or alternatively the inability of the underlying model to describe the observables with a given input EoS. Tighter constraints and fully conclusive statements on the EoS require accurate, high statistics data in the whole beam energy range of 2-10 GeV, which will hopefully be provided by the beam energy scan programme of STAR-FXT at RHIC, the upcoming CBM experiment at FAIR, and future experiments at HIAF and NICA. Finally, it is shown that the PointNet-based models can also be used to identify the equation of state in the CBM experiment. Despite the uncertainties due to limited detector acceptance and biases in the reconstruction algorithms, the PointNet-based models are able to learn the features that can accurately identify the underlying physics of the collision. The PointNet-based models are an ideal AI tool to study heavy-ion collisions, not only to identify the geometric event features, such as the impact parameter or the number of participant nucleons, but also to extract abstract physical features, such as the EoS, directly from the detector outputs.
A synchrotron is a particular type of cyclic particle accelerator and the first accelerator concept to enable the construction of large-scale facilities [10], such as the largest particle accelerator in the world, the 27-kilometre-circumference Large Hadron Collider (LHC) by CERN near Geneva, Switzerland, the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, France for the synchrotron radiation, the superconducting, heavy ion synchrotron SIS100 under construction for the FAIR facility at GSI, Darmstadt, Germany and so on. Unlike a cyclotron, which can accelerate particles starting at low kinetic energy, a synchrotron needs a pre-acceleration facility to accelerate particles to an appropriate initial value before synchrotron injection. A pre-acceleration can be realized by a chain of other accelerator structures like a linac, a microtron in case of electrons, for example, Proton and ion injectors Linac 4 and Linac 3 for the LHC, UNLAC as the injector for the SIS18 in GSI and in future the SIS18 as injector for the SIS100. The linac is a commonly used injector for the ion synchrotron and consists of some key components. The three main parts of a linac are: An ion source creating the particles, a buncher system or an RFQ followed by the main drift tube accelerator DTL. In order to meet the energy and the beam current requirement of a synchrotron injector linac, its cost is a remarkable percentage of the total facility costs.
However, the normal conducting linac operation at cryogenic temperatures can be a promising solution in improving the efficiency and reducing the costs of a linac. Synchrotron injectors operate at very low duty factor with beam pulse lengths in 1 micros to 100 micros range, as most of the time is needed to perform the synchrotron cycle. Superconducting linacs are not convenient, as they cannot efficiently operate at low duty factor and high beam currents.
The cryogenic operation of ion linacs is discussed and investigated at IAP in Frankfurt since around 2012 [1, 37]. The motivation was to develop very compact synchrotron injectors at reduced overall linac costs per MV of acceleration voltage. As the needed beam currents for new facilities are increasing as well, the new technology will also allow an efficient realization of higher injector linac energies, which is needed in that case. Operating normal conducting structures at cryogenic temperature exploits the significantly higher conductivity of copper at temperatures of liquid nitrogen and below. On the other hand, the anomalous skin effect reduces the gain in shunt impedance quite a bit[25, 31, 9]. Some intense studies and experiments were performed recently, which are encouraging with respect to increased field levels at linac operation temperatures between 30 K and 70 K [17, 24, 4, 23, 5, 8]. While these studies are motivated by applications in electron acceleration at GHz-frequencies, the aim of this paper is to find applications in the 100 to 700 MHz range, typical for proton and ion acceleration. At these frequencies, a higher impact in saving RF power is expected due to the larger skin depth, which is proportional to the frequency to the power of negative half with respect to the normal skin effect. On the other hand, it is assumed that the improvement in maximum surface field levels will be similar to what was demonstrated already for electron accelerator cavities. This should allow to find a good compromise between reduced RF power needs for achieving a given accelerator voltage and a reduced total linac length to save building costs.
A very important point is the temperature stability of the cavity surface during the RF pulse. This is of increasing importance the lower the operating temperature is chosen: the temperature dependence of the electric conductivity in copper gets rather strong below 80 K, as long as the RRR - value of the copper is adequate. It is very clear, that this technology is suited for low duty cycle operated cavities only - with RF pulse lengths below one millisecond. At longer pulses the cavity surface will be heated within the pulse to temperatures, where the conductivity advantage is reduced substantially. These conditions fit very well to synchrotron injectors or to pulsed beam power applications.
H – Mode structures of the IH – and of the CH – type are well-known to have rather small cavity diameters at a given operating frequency. Moreover, they can achieve effective acceleration voltage gains above 10 MV/m even at low beam energies, and already at room temperature operation[29]. With the new techniques of 3d – printing of stainless steel and copper components one can reduce cavity sizes even further – making the realization of complex cooling channels much easier.
Another topic are copper components in superconducting cavities – like power couplers. It is of great importance to know exactly the thermal losses at these surfaces, which can’t be cooled efficiently in an easy way.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein verbessertes Buncher-System für Hochfrequenzbeschleuniger mit niedrigem und mittlerem Ionenstrom entwickelt. Die entwickelte Methodik hat ermöglicht, ein effektives, vereinfachtes Buncher-System für die Injektion in HF-Beschleuniger wie RFQs, Zyklotrons, DTLs usw. zu entwerfen, welches kleine Ausgangsemittanzen und beträchtliche Strahltransmissionen erzielt. Um einen mono-energetischen und kontinuierlichen Strahl aus einer Ionenquelle für den Einschuss in eine Hochfrequenz-Beschleunigerstruktur anzupassen, wird eine Energiemodulation benötigt, die im weiteren Verlauf (Driftstrecke) zur Längsfokussierung des Strahls führt. Durch eine Sägezahnwellenform wird die ideale Energiemodulation aufgrund der linearen Abhängigkeit zwischen der Energie der Teilchen und ihren relativen Phasen erreicht. Dies ist jedoch technologisch nicht möglich, da Teilchenbeschleuniger Spannungsniveaus im Bereich kV bis 100 kV benötigen. Dagegen ist für eine solche Zielsetzung eine räumliche Trennung der sinusförmigen Anregung mit der Grundfrequenz und höheren Harmonischen möglich.
Daher wurde in dieser Arbeit ein verbesserter harmonischer Buncher, der sogenannte „Double Drift Harmonic Buncher - DDHB“ entwickelt, welcher zahlreiche Vorteile hat. Eine geringe longitudinale Emittanz sowie finanzielle Aspekte sprechen für diesen Lösungsansatz. Die Hauptelemente eines DDHB Systems sind zwei Kavitäten, die durch eine Driftlänge L1 getrennt sind, wobei der erste Resonator mit der Grundfrequenz bei -90° synchroner Phase und angelegter Spannung V1 und der zweite Resonator bei der zweiten harmonischen Frequenz mit +90 synchroner Phase und angelegter Spannung V2 betrieben werden. Schließlich ist eine zweite Drift L2 am Ende des Arrays für eine longitudinale Strahlfokussierung am Hauptbeschleunigereingang erforderlich. Somit erfüllt ein solcher Aufbau das angestrebte Ziel einer hohen Einfangseffizienz und einer kleinen longitudinalen Emittanz durch Anpassen der vier Designparameter V1, L1, V2 und L2.
Das Verständnis der Fokussierung, ausgehend von einem Gleichstromstrahl, einschließlich der Raumladungskräfte, ist einer der wesentlichen Bestandteile der Strahlphysik. Viele kommerzielle Codes bieten Simulationsmöglichkeiten in diesem Anwendungsbereich. Ihre Ansätze bleiben jedoch dem Anwender meist verborgen, oder es fehlen wichtige Details zur genauen Abbildung des vorliegenden Konzepts. Daher bestand eine Hauptaufgabe dieser Arbeit darin, einen speziellen Multi-Particle-Tracking-Beam-Dynamics-Code (BCDC) zu entwickeln, bei dem der Raumladungseffekt während des Bunch-Vorgangs, ausgehend von einem DC-Strahl berechnet wird. Der BCDC - Code enthält elementare Routinen wie Drift und Beschleunigungsspalt oder magnetische Linse für die transversale Strahlfokussierung und Raumladungsberechnungen unter Berücksichtigung der Auswirkungen der nächsten Nachbar-Bunche (NNB). Der Raumladungsalgorithmus in BCDC basiert auf einer direkten Coulomb- Gitter-Gitter-Wechselwirkung und Berechnungen des elektrischen Feldes durch Lokalisierung der Ladungsdichte auf einem kartesischen Gitter. Um Genauigkeit zu erreichen, werden die Feldberechnungen in Längsrichtung symmetrisch um das zentrale Bucket (βλ-Größe) erweitert, so dass das Simulationsfeld dreimal so groß ist. Die zentrale Teilchenverteilung wird dann nach jedem Schritt in die benachbarten Buckets kopiert. Anschließend werden die resultierenden Felder im Hauptgitterfeld neu berechnet, indem die elektrischen Felder im Hauptgitterfeld mit denen aus den benachbarten Regionen überlagert werden. Ohne diese Methode würde z. B. ein kontinuierlicher Strahl, welcher jedoch in der Simulation nur innerhalb einer Zelle der Länge βλ definiert ist, zu einer resultierenden Raumladungsfeldkomponente Ez an beiden Rändern der Zelle führen. Ein solches unphysikalisches Ergebnis konnte durch die Anwendung der NNB-Technik bereits weitgehend eliminiert werden. Zusätzlich zum NNB-Feature verfügt das BCDC über eine weitere Besonderheit nämlich die sogenannte Raumladungskompensation (SCC). Aufgrund der Ionisierung des Restgases kommt es entlang des Niederenergiestrahltransports zu einer teilweisen Raumladungskompensation, und zwar am und hinter dem Bunchersystem mit unterschiedlichen Prozentsätzen. Eines der Hauptziele des DDHB-Konzepts besteht darin, es für Hochstromstrahlanwendungen zu entwickeln. Dabei ermöglicht die teilweise Raumladungskompensation, dass das Design in der Praxis höhere Stromniveaus erreicht. Dadurch ist das BCDC-Programm ein leistungsstarkes Werkzeug für Simulationen in künftigen, stromstarken Projekten. Proof-of-Principle-Designs wurden in dieser Arbeit entwickelt.
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 tune determination and split beam emittance reconstruction at the CERN PS synchrotron
(2023)
In accelerator physics, the need to improve the performance and better control the operating point of an accelerator has become, year after year, an increasingly important need in order to achieve higher energies and brightness, as well as point-like particle beams. If this involves increasingly advanced technological developments (in terms, for example, of materials for more intense superconducting magnets), it can not take place in the absence of targeted studies of linear and non-linear beam dynamics. In the context of this Ph.D. thesis in physics, linear and non-linear dynamics of charged particles in circular accelerators is the topic that will be discussed and treated in detail. In particular, the presentation and discussion of the results will be divided in two main topics: the need to know the physical properties of a proton beam; and the development of innovative methods to determine and study the accelerator’s working point. With regard to the first topic, an innovative procedure will be presented to determine the transverse size of the PS beam in the beam extraction phase. Among the different ways the extraction occurs at the PS, the analysed one is based on the transverse splitting of the beam by means of non-linear fields. Thus, the knowledge of the transverse beam size is not trivial since resonant linear and non-linear beam structures (namely, core and islands) arise and, for each of them, the beam size has to be quantified. This parameter is crucial for two main reasons: the accelerator that will receive the beam exiting the upstream accelerator may have restrictions (physical or magnetic) that involve a partial or total loss of the incoming beam; and any experiments located downstream of the considered accelerator may need a beam with a transversal size as constant as possible; consequently, its monitoring and control are essential. The second topic concerns the accurate determination of the working point of an accelerator, defined as the number of transverse oscillations the particle beam travels per unit of accelerator circumference, both horizontally and vertically. This quantity is called horizontal and vertical tune, respectively. Their knowledge is also crucial to understand whether the beam will be stable or unstable. In fact, not all tune values are acceptable, as there are particular values that bring the beam into resonance. In this configuration, the amplitude of the transverse oscillations of the particles increases in an uncontrolled manner and leads to the loss of all or part of the beam. Note that, in particular operating conditions, the resonant conditions are sought and desired to model, in a suitable way, the transversal shape of the beam, such as the above mentioned PS extraction scheme. It is even clearer how much the determination of the machine working point is essential to determine the operating conditions of an accelerator. In this context, several methods (also taken from the field of applied mathematics) to calculate the tune will be demonstrated and tested numerically on different types of synthetic signals. At the end of this description, the use of experimental data will allow to obtain the benchmark of a new method for the direct calculation of some characteristic quantities of non-linear beam dynamics (namely, the amplitude detuning, i.e. the variation of tune as a function of intensity of the perturbation provided to the beam.
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.
The development of the designs of the superconducting CH cavities of the HELIAC project from CH0 [27] to CH1 and CH2 [1] has undergone permanent improvements and adaptations based on the learned experiences of each previous cavity. For example, the design of CH1 and CH2 focused on mechanical stabilization and optimization of performance by minimizing peak electric and magnetic fields. As a result, the changes made there were already able to increase stability and performance compared to CH0 by simplifying the design in different ways. The process of designing both cavities was time reasonable, since they are identical in construction and thus only one design had to be developed. However, for both the development and manufacturing of an entire accelerator of individual CH cavities, this type of design would become too time consuming and costly. In order to reduce this time-consuming design process and accelerate the fabrication of superconducting CH cavities, and also reduce costs, a modular cavity design for mass production of superconducting CH cavities was developed as presented in this thesis. In the following section, the conclusions gained in this work and the results already presented will be summarized once again.
So in the first chapters of this thesis the theoretical foundations were laid, which are necessary for the description of superconducting cavities and for their development process, like a theoretical description of superconductivity itself (see chapter 2), the physical basics of RF-acceleration and of the CH cavity (see chapter 3), but also the effects that limit the superconducting cavities in terms of acceleration (see chapter 4) or the properties and laws from structural mechanics needed in later measurements and simulation (see chapter 5). Based on the theoretical foundations given in these sections, all measurements, evaluations and simulations made in the following sections were made.
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...
Sensors for high rate charge particle tracking have to withstand the harsh radiation doses deposited by the particles to be sensed. This holds particularly for the novel CMOS Monolithic Active Pixel Sensors, which are considered a promising sensor technology for future vertex detectors due to their very light material budget and excellent spatial resolution. To resist the radiation doses expected close to the interaction regions of heavy-ion experiments, the sensors have to be hardened against radiation doses, which exceed the native tolerance of CMOS technology significantly. In this thesis, the results of non-ionizing radiation hardness studies at the IKF on sensor prototypes developed at the IPHC in Strasbourg are presented. Our results demonstrate that the CMOS sensors evaluated in the context of this thesis can withstand non-ionizing radiation of up to 5×10^14 neq/cm^2. This hardness qualifies them as promising candidates for use in future vertex detectors.
Die extrem hohen Interaktionsraten, die mit dem CBM Experiment verfügbar sein werden, erlauben die Messung von einigen der herausfordensten Observablen im Feld der Schwerionenphysik. Im besonderen die Messung von Dileptonen im mittleren Massenbereich ist nahezu unmöglich für eine Vielzahl anderer Experimente, da die extrem kleinen Wirkungsquerschnitte der Produktionskanäle das Auftreten eines messbaren Ereignisses so selten machen, so dass es nicht möglich ist eine ausreichende Anzahl dieser Ereignisse zu messen. Hinzu kommt, dass speziell im Energiebereich des CBM Experiments bisher absolut keine Messdaten verfügbar sind, obwohl es zahlreiche Hinweise von theoretischer Seite und von Messungen bei größeren Kollisionsenergien darauf gibt, dass wir im Energiebereich des CBM Experiments bedeutende Entdeckungen machen k¨onnten. Eine solche Messung dieser Observable könnte einen direkten Zugang zu Informationen bezüglich eines potentiellen Phasenubergangs von hadronischer Materie (bzw. im Hadronengas) in den Zustand eines Quark-Gluonen Plasmas liefern. Zusätzlich bieten Dileptonen noch die Möglichkeit Indikatoren für eine Wiederherstellung der chiralen Symmetrie zu messen...
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.
The putative effects of dark matter are most easily explained by a collisionless fluid on cosmological scales and by Modified Newtonian Dynamics (MOND) on galactic scales. Hybrid MOND dark matter models combine the successes of dark matter on cosmological scales and those of MOND on galactic scales. An example of such a model is superfluid dark matter (SFDM) which postulates that this differing behavior with scale is caused by a single underlying substance with two phases. In this thesis, I highlight successful observational tests of SFDM regarding strong lensing and the Milky Way rotation curve. I also discuss three problems due to the double role of the aforementioned single underlying substance and show how these may be avoided. Finally, I introduce a novel Cherenkov radiation constraint for hybrid MOND dark matter models. This constraint is different from standard modified gravity Cherenkov radiation constraints because such hybrid models allow even non-relativistic objects like stars to emit Cherenkov radiation.
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.
For finite baryon chemical potential, conventional lattice descriptions of quantum chromodynamics (QCD) have a sign problem which prevents straightforward simulations based on importance sampling.
In this thesis we investigate heavy dense QCD by representing lattice QCD with Wilson fermions at finite temperature and density in terms of Polyakov loops.
We discuss the derivation of $3$-dimensional effective Polyakov loop theories from lattice QCD based on a combined strong coupling and hopping parameter expansion, which is valid for heavy quarks.
The finite density sign problem is milder in these theories and they are also amenable to analytic evaluations.
The analytic evaluation of Polyakov loop theories via series expansion techniques is illustrated by using them to evaluate the $\SU{3}$ spin model.
We compute the free energy density to $14$th order in the nearest neighbor coupling and find that predictions for the equation of state agree with simulations to $\mathcal{O}(1\%)$ in the phase were the (approximate) $Z(3)$ center symmetry is intact.
The critical end point is also determined but with less accuracy and our results agree with numerical results to $\mathcal{O}(10\%)$.
While the accuracy for the endpoint is limited for the current length of the series, analytic tools provide valuable insight and are more flexible.
Furthermore they can be generalized to Polyakov-loop-theories with $n$-point interactions.
We also take a detailed look at the hopping expansion for the derivation of the effective theory.
The exponentiation of the action is discussed by using a polymer expansion and we also explain how to obtain logarithmic resummations for all contributions, which will be achieved by employing the finite cluster method know from condensed matter physics.
The finite cluster method can also be used to evaluate the effective theory and comparisons of the evaluation of the effective action and a direction evaluation of the partition function are made.
We observe that terms in the evaluation of the effective theory correspond to partial contractions in the application of Wick's theorem for the evaluation of Grassmann-valued integrals.
Potential problems arising from this fact are explored.
Next to next to leading order results from the hopping expansion are used to analyze and compare the onset transition both for baryon and isospin chemical potential.
Lattice QCD with an isospin chemical potential does not have a sign problem and can serve as a valuable cross-check.
Since we are restricted by the relatively short length of our series, we content ourselves with observing some qualitative phenomenological properties arising in the effective theory which are relevant for the onset transition.
Finally, we generalize our results to arbitrary number of colors $N_c$.
We investigate the transition from a hadron gas to baryon condensation and find that for any finite lattice spacing the transition becomes stronger when $N_c$ is increased and to be first order in the limit of infinite $N_c$.
Beyond the onset, the pressure is shown to scale as $p \sim N_c$ through all available orders in the hopping expansion, which is characteristic for a phase termed quarkyonic matter in the literature.
Some care has to be taken when approaching the continuum, as we find that the continuum limit has to be taken before the large $N_c$ limit.
Although we currently are unable to take the limits in this order, our results are stable in the controlled range of lattice spacings when the limits are approached in this order.
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.
This dissertation describes the development of the beam dynamics design of a novel superconducting linear accelerator. At a main operating frequency of 216.816 MHz, ions with a mass-to-charge ratio of up to 6 can be accelerated at high duty cycles up to CW operation. Intended for construction at the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt, the focus of the work is on the beam dynamic design of the accelerator section downstream of the high charge injector (HLI) at an injection energy of 1.39 MeV/u. An essential feature of this linear accelerator (Linac) is the use of the EQUUS (Equidistant Multigap Structure) beam dynamics concept for a variably adjustable output energy between 3.5 and 7.3 MeV/u (corresponding to about 12.4 % of the speed of light) with a required low energy spread of maximum 3 keV/u.
The GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research is a large-scale research facility that uses its particle accelerators to perform basic research with ion beams. Research on super-heavy elements ("SHE") is a major focus. It is expected that their production and research will provide answers to a large number of scientific questions. The production and detection of elements with atomic numbers 107 to 112 (Bohrium, Hassium, Meitnerium, Darmstadtium, Röntgenium and Copernicium) was first achieved at GSI between 1981 and 1996.
Key to this remarkable progress in SHE research were continuous developments and technical innovations. On the one hand, in the field of experimental sensitivity and detection of the nuclear reaction products and, on the other hand, in the field of accelerator technology.
For the acceleration of the projectile beam, the UNILAC (Universal Linear Accelerator), which was put into operation in 1975, has been used at GSI so far. In the course of the reconstruction and expansion of the research infrastructure at GSI, a dedicated new particle accelerator, HELIAC (Helmholtz Linear Accelerator), is now under development to meet the special requirements of the beam parameters for the synthesis of new superheavy elements. Typically, the production rates of super-heavy elements with effective cross sections in the picobarn range are very low. Therefore, a high duty cycle (up to CW operation) is a key feature of HELIAC. Thus, the required beam time for the desired nuclear reactions can be significantly shortened.
Theoretical preliminary work by Minaev et al. and newly created knowledge about design, fabrication, and operation of superconducting drift tube cavities have laid the foundation for this work and thus the development of the HELIAC linear accelerator. It consists of a superconducting and a normal conducting part. Acceleration takes place in the superconducting part in four cryomodules, each about 5 m long. These contain three CH cavities, one buncher cavity, two solenoid magnets for transverse beam focusing, and two beam position monitors (BPMs).
The following 10 m long normal conducting part is primarily used for beam transport and ends with a buncher cavity. This is operated at a halved frequency of 108.408 MHz.
A key feature of this accelerator is the variability of the output energy from 3.5 to 7.3 MeV/u with a small energy uncertainty of ±3 keV/u maximum over the entire output energy range. For the development of HELIAC, the EQUUS beam dynamics concept used combined the advantages of conventional linac designs with the high acceleration gradients of superconducting CH-DTLs. By doubling the frequency (compared to the GSI high charge injector) to 216.816 MHz in the superconducting section and using CH cavities at an acceleration gradient of maximum 7.1 MV/m, an acceleration efficiency with superconducting drift tube structures that is unique in the world is made possible. At the same time, the compact lengths of the CH cavities ensure good handling for both production and operation. EQUUS leads to longitudinal beam stability in all energy ranges of the accelerator with the sliding motion of the synchronous phase within each CH cavity. The rms emittance growth is moderate in all levels. The modular design of the HELIAC with four cryomodules basically allows the Linac to be commissioned starting with the first cryomodule, the so-called Advanced Demonstrator. In the subsequent expansion stage with only the first two cryomodules of HELIAC, the lower limit of the energy range to be provided by HELIAC (3.5 MeV/u) can already be clearly exceeded, so that use in regular beam operation at GSI is already conceivable from here on.
By means of error tolerance studies, the stability of the HELIAC beam dynamics design against possible alignment errors of the magnetic focusing elements and accelerator cavities as well as errors of the electric field amplitudes and phases have been investigated, basically confirmed and critical parameters have been determined. An additional steering concept via dipole correction coils at the solenoid magnets allows transverse beam control as well as diagnostics by means of two BPMs per cryomodule.
With completion of this work in 2021, the CH1 and CH2 cavities have already been built and are in the final preparation and cold test phase. In parallel, the development of the CH cavities CH3-11 has also been started.
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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Die vorliegende Dissertation behandelt das Thema der Wechselstromleitfähigkeit nano-granularer Metalle, welche mit Hilfe der fokussierten elektronenstrahlinduzierten Direktabscheidung (FEBID) hergestellt wurden, sowie der dielektrischen Relaxation in metall-organischen Gerüstverbindungen (MOFs). Sie war eingebettet in das interdisziplinäre Projekt „Dielectric and Ferroelectric Surface-Mounted Metal-Organic Frameworks (SURMOFs) as Sensor Devices“ im Rahmen des DPG-Schwerpunktsprogramms „Coordination Networks: Building Blocks for Functional Systems“ (SPP 1928, COORNETs). Dabei verfolgt sie ein Sensorkonzept zur selektiven Detektion von Analytgasen. Der zentrale Erfolg der Arbeit besteht dabei in neuen Erkenntnissen über die Wechselstromleitfähigkeit nano-granularer Pt(C)-FEBID-Deponate. Die hierbei gewonnen Erkenntnisse können in Zukunft einen weiteren Baustein in der theoretischen Beschreibung dieses grundlegend interessanten und für sensorische Anwendungen wichtigen Teilgebiets der Festkörperphysik darstellen.
High-energy astrophysics plays an increasingly important role in the understanding of our universe. On one hand, this is due to ground-breaking observations, like the gravitational-wave detections of the LIGO and Virgo network or the black-hole shadow observations of the EHT collaboration. On the other hand, the field of numerical relativity has reached a level of sophistication that allows for realistic simulations that include all four fundamental forces of nature. A prime example of how observations and theory complement each other can be seen in the studies following GW170817, the first detection of gravitational waves from a binary neutron-star merger. The same detection is also the chronological starting point of this Thesis. The plethora of information and constraints on nuclear physics derived from GW170817 in conjunction with theoretical computations will be presented in the first part of this Thesis. The second part goes beyond this detection and prepares for future observations when also the high-frequency postmerger signal will become detectable. Specifically, signatures of a quark-hadron phase transition are discussed and the specific case of a delayed phase transition is analyzed in detail. Finally, the third part of this Thesis focuses on the inclusion of radiative transport in numerical astrophysics. In the context of binary neutron-star mergers, radiation in the form of neutrinos is crucial for realistic long-term simulations. Two methods are introduced for treating radiation: the approximate state-of-the-art two-moment method (M1) and the recently developed radiative Lattice-Boltzmann method. The latter promises
to be more accurate than M1 at a comparable computational cost. Given that most methods for radiative transport or either inaccurate or unfeasible, the derivation of this new method represents a novel and possibly paradigm-changing contribution to an accurate inclusion of radiation in numerical astrophysics.
Während den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall glaubt man, dass unser Universum aus einer heißen, dichten und stark wechselwirkenden Materie bestanden haben soll, welche man das Quark-Gluonen-Plasma (QGP) nennt.
In diesem Medium sind die elementaren Bausteine der Materie, die Quarks und die Gluonen, nicht mehr in Hadronen gebunden, sondern können sich stattdessen wie quasi-freie Teilchen verhalten.
Für die ALICE Kollaboration an CERN's Large Hadron Collider (LHC) ist die Untersuchung dieses Mediums eines der Hauptziele. Um dieses Medium im Labor zu erzeugen, werden Protonen und Nukleonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend zur Kollision gebracht. Dabei werden Schwerpunktsenergien von bis zu 13 TeV bei Proton-Proton (pp) Kollisionen und bis zu 5.02 TeV bei Blei-Blei (Pb--Pb) Kollisionen erreicht.
Bei solchen hochenergetischen Kollisionen werden die kritischen Werte der Energiedichte und Temperatur von jeweils ungefähr 1 GeV/c und undgefähr 155 MeV überschritten, welche mithilfe von "lattice QCD" bestimmt wurden. Sie bieten daher die perfekten Voraussetzungen für einen Phasenübergang von normaler Materie zu einem QGP.
Die Entwicklung eines solchen Mediums, beginnend bei der eigentlichen Kollision, gefolgt von der Ausbildung des Plasmas und der letztendlichen Hadronisierung, kann jedoch nicht direkt untersucht werden, da das Plasma eine extrem kurze Lebensdauer hat.
Die Studien die das QGP untersuchen möchten, müssen sich deshalb auf Teilchenmessungen und deren Veränderung aufgrund von Einflüssen durch das Medium beschränken.
Es ist noch nicht definitiv geklärt, ob sich ein QGP nur in Kollisionen schwerer Ionen bildet, oder ob dies auch in kleineren Kollisionssystemen wie Proton-Proton oder Proton-Blei der Fall ist.
Damit in dieser Thesis Einschränkungen bezüglich einer möglichen Erzeugung eines mini-GQP in kleinen Kollisionssystemen gemacht werden kann, wird der Fokus auf Messungen von neutralen Pionen und Eta Mesonen mit dem ALICE Detektor am CERN LHC gesetzt. Hierfür wird in einem Referenzsystem von Proton-Proton Kollisionen bei sqrt(s)=8 TeV und in einem Proton-Blei (p--Pb) System bei sqrt(sNN)=8.16 TeV, welches eine nukleare Modifikation erfährt, gemessen und die Ergebnisse verglichen.
Da in Proton-Proton Kollisionen die Bildung eines QGP, aufgrund zu geringer Energiedichte, nicht erwartet wird, dient eine Messung in diesem System als Messbasis, um Effekte der Kollision selbst von Effekten nach der Kollision zu separieren, welche die Teilchenproduktion beeinflussen.
Teilchen können zusätzlich zu dem QGP auch mit kalter Kernmaterie interagieren, was sich in asymmetrischen Proton-Blei Kollisionen testen lässt. In diesem Kollisionssystem wird größtenfalls ein vergleichsweise kleines QGP gebildet, wohingegen das Blei Ion selbst als kalte Kernmaterie agieren kann.
Zusätzlich zu den Mesonenmessungen wird in dieser Thesis auch die Erzeugung von direkten Photonen bei niedrigen Transversalimpulsen (pT) in multiplizitätsabhängigen p--Pb Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von sNN=5.02 TeV gemessen, welche als direkte Probe, sowie als charakteristisches Signal des QGP gilt.
Die neutralen Pionen, welche in dieser Thesis gemessen werden, kann man als einen Überlagerungszustand der zwei leichtesten Quarksorten, dem "up" (u) und dem "down" (d) Quark, sowie deren entsprechenden Anti-Teilchen verstehen.
Das eta meson hingegen hat einen zusätzlichen Anteil des "strange" Quarks und eine resultierende höhere Masse.
Quarks sind Teil des Standardmodells der Teilchenphysik, welches die Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden Elementarkräfte, ausgeübt durch Bosonen, beschreibt.
Das Modell umfasst insgesamt sechs Quarks, welche sich durch ihre Masse und Ladung unterscheiden und als Grundbestandteil von gebundenen Zuständen, sogenannten Hadronen, fungieren.
Die "up" und "down" Quarks gelten hierbei als die leichtesten Quarks und kommen daher am häufigsten in der Natur vor. Das bekannteste Beipiel stellen hier die allgemein bekannten Protonen (uud) und Neutronen (udd) dar, welche die Grundkomponenten von Nukleonen sind.
Die restlichen Quarks tragen eine deutlich höhere Masse und haben daher eine große Tendenz, sich in leichtere Quarks umzuwandeln, wodurch ihre Lebensdauer sehr gering ist. Die "top" und "bottom" Quarks, welche die Schwersten sind, können daher nicht in gewöhnlicher Materie gefunden werden.
Sie können jedoch experimentell durch hoch energetische Teilchenkollisionen erzeugt werden und indirekt über ihre Zerfallsprodukte nachgewiesen werden.
Quarks tragen eine elektrische Ladung von entweder 1/3 oder 2/3, sowie eine Farbladung, wobei Letztere verantwortlich für ihre Bindung in Hadronen ist.
Hadronen bestehen entweder aus drei Quarks, dann werden sie Baryonen genannt, oder aus einem Quark-Antiquark Paar, welches Meson genannt wird.
Diese gebundenen Zustände erfüllen eine insgesamt neutrale Farbladung, sowie eine vollzählige elektrische Ladung.
Des Weiteren gibt es auch exotische Penta-Quark Zustände, welche aus vier Quarks und einem Antiquark bestehen und bereits experimentell nachgewiesen wurden.
Aufgrund der starken Wechselwirkung, welche durch Gluonen vermittelt wird, können Quarks nicht einzeln beobachtet werden.
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This thesis explores the phase diagrams of the Nambu--Jona-Lasinio (NJL) and quark-meson (QM) model in the mean-field approximation and beyond. The focus lies in the investigation of the interplay between inhomogeneous chiral condensates and two-flavor color superconductivity.
In the first part of this thesis, we study the NJL model with 2SC diquarks in the mean-field approximation and determine the dispersion relations for quasiparticle excitations for generic spatial modulations of the chiral condensate in the presence of a homogeneous 2SC-diquark condensate, provided that the dispersion relations in the absence of color superconductivity are known. We then compare two different Ansätze for the chiral order parameter, the chiral density wave (CDW) and the real-kink crystal (RKC). For both Ansätze we find for specific diquark couplings a so-called coexistence phase where both the inhomogeneous chiral condensate and the diquark condensate coexist. Increasing the diquark coupling disfavors the coexistence phase in favor of a pure diquark phase.
On the other hand, decreasing the diquark coupling favors the inhomogeneous phase over the coexistence phase.
In the second part of this thesis the functional renormalization group is employed to study the phase diagram of the quark-meson-diquark model. We observe that the region of the phase diagram found in previous studies, where the entropy density takes on unphysical negative values, vanishes when including diquark degrees of freedom. Furthermore, we perform a stability analysis of the homogeneous phase and compare the results with those of previous studies. We find that an increasing diquark coupling leads to a smaller region of instability as the 2SC phase extends to a smaller chemical potential. We also find a region where simultaneously an instability occurs and a non-vanishing diquark condensate forms, which is an indication of the existence of a coexistence phase in accordance with the results of the first part of this work.
Bohmian mechanics as formulated originally in 1952, has been useful in the implementation of numerical methods applied to quantum mechanics. The scientific community though has had ever since a critical thought about it. Therefore, there are still points to be clarified and rectified. The two main problems are basically: Bohmian mechanics gives a privilege role to the position representation. Secondly, the current interpretation of Bohmian trajectories has been recently proven wrong.
In this context, in Chapter 2, new complex Bohmian quantities are defined; so that they allow the capacity to formulate Bohmian mechanics in any arbitrary continuous representation, for instance, the momentum representation. This Chapter is fully based on two articles, regarding the proposed complex Bohmian formulation and its extension into momentum space.
Chapter 3 deals with a redefinition and reinterpretation of the Bohmian trajectories from the handling of the continuity equation, this is done without any need of additional postulates or interpretations. Also, it is proved that Bohmian mechanics is actually more than a projective aspect of the Wigner function.
As a third point, Chapter 4 presents a sytematic treatment of the hydrodynamic scheme of Bohmian mechanics. Then, a brief summary of the transport equations in Bohmian mechanics is done. Next, a unified hydrodynamic treatment is found for the Bohmian mechanics. This treatment is useful to sketch, a Bohmian treatment to efficiently find the steady value of the transmission integral.
In Chapter 5 conclusions of this thesis are drawn.
The realization of a fast and robust closed orbit feedback (COFB) system for the on-ramp orbit correction at SIS18 synchrotron of FAIR project is reported in this thesis. SIS18 has some peculiar behaviors including on-ramp optics variation, very short lengths of the ramps (200 ms to 1 s) and a cycle-to-cycle variation of beam parameters. The realized fast COFB system being robust against above mentioned features of SIS18 is a first of its kind and the course to its realization led to some novel contributions in the field of closed orbit correction. A new method relying on the discrete Fourier transform (DFT)-based decomposition of the orbit response matrix (ORM) has been introduced, exploiting the symmetry in the arrangement of beam position monitors (BPMs) and the corrector magnets in the synchrotrons. A nearest-circulant approximation has also been introduced for synchrotrons having slight deviation from the symmetry, making the method applicable to a vast majority of synchrotrons. Moreover, the performance and the stability analysis of COFB systems in the presence of ORM mismatch between the synchrotron and the feedback controller is presented. The COFB systems are divided into slow and fast regimes and a new stability criterion consistent with measurements, is introduced. The practicality of the criterion is verified experimentally at COSY Jülich and is used for the analysis of various sources of ORM mismatch at SIS18. The commissioning of the SIS18 COFB system is also reported in detail which relies on Libera Hadron as the main hardware resource for the controller implementation. The on-ramp orbit correction is demonstrated for the horizontal plane of SIS18, for the disturbance rejection up to 600 Hz.
The requirement of the versatile signal generator has always been evident in modern RF and communication systems. The most conventional technique, voltage control oscillator (VCO), has inferior phase noise and narrow bandwidth despite its operating frequency can be up to the sub-THz regime. Its phase noise influenced by a various parameter associated with the oscillator circuit e.g. transistor size \& noise, bias current, noise leaking from the bias supply etc. The bandwidth is limited because the input voltage \& the output frequency of the VCO is not strictly linear over the tuning range. The phase noise and SFDR of the VCO output are enhanced by using the phase-lock technique. The phase-locked loop (PLL) uses the feedback system locking the reference frequency set by the VCO. However, the settling time of the PLL is higher due to a feedback control loop. The higher settling time increases the frequency switching time between PLL outputs. IG-oscillators is suitable for multi-GHz range and wide bandwidth application. Signal generation can alos be achieved by the free-electron radiation, optical lasers, Gunn diodes as well and they can operate even at the THz domain. All these signal generators suffer from slow frequency switching, lack of digital controllability, and advance modulation capability even though their frequency of operation is THz regime. Alternatively, the AWG (arbitrary wave generator) can produce a wide range of frequencies with low phase noise, including digital controllability. One of the vital components of the AWG is the direct digital synthesiser (DDS). Generally, it is composed of a phase accumulator, digital to analogue converter, sine mapping circuits and low pass filter. It needs a reference clock that acts as samples of the DDS outputs. Its output frequency can be varied by applying an appropriate digital input code. But high-speed DDS has several limitations; such as low number of output frequency points, lack of phase control unit, high power consumptions etc. This work addresses such limitations.
Diese Thesis befasst sich mit dem Problem korrelierter Elektronensysteme in realen Materialien. Ausgangspunkt hierbei ist die quantenmechanische Beschreibung dieser Systeme im Rahmen der sogenannten Kohn-Scham Dichtefunktionaltheorie, welche die Elektronen der Kristallsysteme als effektiv nicht-wechselwirkende Teilchen beschreibt.
Während diese Modellierung im Falle vieler Materialklassen erfolgreich ist, unterscheiden sich die korrelierten Elektronensysteme dadurch, dass der kollektive Charakter der Elektronendynamik nicht zu vernachlässigen ist.
Um diese Korrelationseffekte genauer zu untersuchen, verwenden wir in dieser Arbeit das Hubbard-Modell, welches mit der projektiven Wannierfunktionsmethode aus der Kohn-Scham Dichtefunktionaltheorie konstruiert werden kann.
Das Hubbard-Modell umfasst hierbei nur die lokale Elektron-Elektron-Wechselwirkung auf einem Gitter. Auch wenn das Modell augenscheinlich sehr simpel ist, existieren exakte Lösungen nur in bestimmten Grenzfällen. Dies macht die Entwicklung approximativer Ansätze erforderlich, wobei die Weiterentwicklung der sogenannten Two-Particle Self-Consistent Methode (TPSC) eine zentrale Rolle dieser Arbeit einnimmt.
Bei TPSC handelt es sich um eine Vielteilchenmethode, die in der Sprache funktionaler Ableitungen und sogenannter conserving approximations hergeleitet werden kann.
Der zentrale Gedanke dabei ist, den effektiven Wechselwirkungsvertex als statisch und lokal zu approximieren. Dies wiederum erlaubt die Bewegungsgleichung des Systems
erheblich zu vereinfachen, sodass eine numerische approximative Lösung des Hubbard-Modells möglich wird. Vorsetzung hierbei ist nur, dass sich das System in der normalleitenden Phase befindet und die bei Phasenübergängen entstehenden Fluktuationen nicht zu groß sind.
Während diese Methode ursprünglich von Y. M. Vilk und A.-M. Tremblay für das Ein-Orbital Hubbard-Modell entwickelt wurde, stellen wir in dieser Arbeit eine Erweiterung auf Viel-Orbital-Systeme vor.
Im Falle mehrerer Orbitale treten in der TPSC-Herleitung einzelne Komplikationen auf, die mit weiteren Approximationen behandelt werden müssen. Diese werden anhand eines einfachen Zwei-Orbital Modell-Systems diskutiert und die TPSC-Ergebnisse werden darüber hinaus mit den Ergebnissen der etablierten dynamischen Molekularfeldnährung verglichen.
In diesem Zusammenhang werden auch mögliche zukünftige Erweiterungen bzw. Verbesserungen von TPSC diskutiert.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Anwendung von TPSC auf reale Materialien.
In diesem Zusammenhang werden in dieser Arbeit die supraleitenden Eigenschaften der organischen K-(ET)2X Systeme untersucht. Hierbei lassen die TPSC-Resultate darauf schließen, dass das populäre Dimer-Modell, welches zur Beschreibung dieser Materialien herangezogen wird, nicht genügt um die experimentell bestimmten kritischen Temperaturen zu erklären und dass das komplexere Molekülmodell weitere exotische supraleitende Lösungen zulässt.
Schließlich untersuchen wir außerdem die elektronischen Eigenschaften des eisenbasierten Supraleiters LiFeAs und diskutieren inwieweit nicht-lokale Korrelationseffekte, welche durch TPSC aufgelöst werden können, die experimentellen Daten reproduzieren.
This dissertation presents the development of a new radio frequency quadrupole (RFQ) structure of the 4-rod type with an operating frequency of 108 MHz for the acceleration of heavy ions with mass-to-charge ratios of up to 8.5 at high duty cycles up to CW operation ("continuous wave") at the High Charge Injector (HLI) of the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt.
The need to develop a completely new RFQ for the HLI arises from the fact that with the previously designed and built 4-rod RFQ structure, which was commissioned at the HLI in 2010 as part of the planned HLI upgrade program, the desired operating modes in both pulsed and CW operation could not be achieved even after several years of operating experience and considerable efforts to eliminate or at least mitigate the severe operational instabilities. Mechanical vibrations of the electrodes, which result in strong modulated power reflection, as well as the high thermal sensitivity proved to be particularly problematic.
In addition to the RF design of the new RFQ by simulations performed with the CST Microwave Studio software, the focus of the investigations fell on the mechanical analysis of vibrations on the electrode rods caused by RF operation, for which the ANSYS Workbench software was used. Due to the high thermal load of the RFQ structure of more than 30 kW/m in CW operation, an accurate analysis of the thermal effects on electrode deformation as well as resulting frequency detuning of the resonator is also required, which was investigated by simulations within the capabilities of CST Mphysics Studio.
Based on the results of the design studies carried out by simulations and the thereby achieved design optimizations, a 4-rod RFQ prototype with 6 stems was finally manufactured, on which most of the properties expected from the simulations could be validated by measurements of the RF characteristics as well as of the vibration behavior.
Finally, based on the results of the pre-tests and considering a newly developed beam dynamics concept, a completely revised RF design for a new full-length HLI-RFQ was derived from the prototype design.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Erzeugung und Charakterisierung verschiedenartiger piezoresistiver Dünnschichten für die Druck- und Dehnungssensorik bei hohen Temperaturen, die mittels Sputterdeposition abgeschieden werden:
- metallische Schichten aus Chrom mit Verunreinigungen aus Sauerstoff, Stickstoff oder Platin,
- granulare Keramik-Metall-Schichten (Cermets), mit Platin oder Nickel als Metallkomponente und Aluminiumoxid (Al2O3) oder Bornitrid (BN) als Keramikkomponente.
Beide Schichttypen können mit geeigneten Beschichtungsparametern erhebliche piezoresistive Effekte aufweisen, also einen Widerstands-Dehnungs-Effekt, der den von typischen Metallschichten um ein Mehrfaches übersteigt. Der Effekt wird quantifiziert durch den k-Faktor, der die relative Änderung des Widerstands R auf die relative Änderung der Länge l, d.h. die Dehnung ε=Δl/l, bezieht: k=ΔR/(R ε).
In Beschichtungsreihen werden die Schichtzusammensetzung und die Depositionsbedingungen variiert und die Auswirkungen auf den elektrischen Widerstand, dessen Temperaturkoeffizienten (TKR), sowie den k-Faktor untersucht. Die k-Faktoren der chrombasierten Schichten liegen bei 10 bis 20 mit um null einstellbarem TKR. Die Cermet-Schichten erreichen je nach Material k-Faktoren von 7 bis über 70 mit meist stark negativen TKR von mehreren -0,1 %/K.
Die Chrom- und Chrom-Stickstoff-Schichten erweisen sich als geeignete Sensorschichten für Membran-Drucksensoren. Daher wird eine Reihe von Sensoren mit Wheatstone-Messbrücken erzeugt und charakterisiert. Sie zeigen den hohen k-Faktoren entsprechende hohe Signalspannen. Die guten Sensoreigenschaften bleiben auch bei hohen Temperaturen bis 230 °C erhalten.
Nach den ersten Untersuchungen bei Dehnungen bis maximal 0,1 % wird zusätzlich das Verhalten der Schichten bei höheren Dehnungen bis 1,4 % untersucht. Es zeigt sich vorwiegend ein lineares Widerstands-Dehnungs-Verhalten. Die Leiterbahnen der spröden chrombasierten Schichten werden bei Dehnungen um 0,7 % jedoch durch Risse zerstört, die sich von den Rändern der Schicht her ausbreiten.
Die Platin-Aluminiumoxid-Schicht zeigt einen enorm großen, nichtlinearen Widerstands-Dehnungs-Effekt, der auf Risse zurückgeführt werden kann, die sich nach einigen Belastungszyklen reproduzierbar öffnen und schließen.
Tieftemperaturmessungen von 2 bis 300 K zeigen Widerstandsminima der Chrom-Stickstoff-Schichten; Magnetwiderstandsmessungen deuten jedoch nicht auf den Kondo-Effekt hin.
Die Cermet-Schichten zeigen thermisch aktivierte Leitfähigkeit.
Ausgewählte Schichten werden bei Temperaturen bis 420 °C (693 K) charakterisiert. Die chrombasierten Schichten haben bei hohen Temperaturen stabile Widerstände, zeigen jedoch stark nichtlineare Temperaturverläufe von Widerstand und k-Faktor. Oberhalb einer gewissen Temperatur verschwindet der piezoresistive Effekt, kehrt jedoch beim Abkühlen zurück. Die Verläufe lassen sich durch die Schichtzusammensetzung und auch durch Temperaturbehandlungen modifizieren.
Die Platin-Aluminiumoxid-Schicht ist ebenfalls temperaturstabil und zeigt geringe Änderungen des k-Faktors im Temperaturverlauf. Platin-Bornitrid zeigt große, reversible Widerstandsänderungen bei höheren Temperaturen, die auf mögliche Gaseinlagerungen hindeuten.
Aus den experimentellen Ergebnissen lassen sich die Ursachen der Piezoresistivität ableiten: Die chrombasierten Schichten bilden, wie in der Literatur vielfach beschrieben, unterhalb einer Ordnungstemperatur einen Spindichtewellen-Antiferromagnetismus aus. Dieser Zustand führt zu einem zusätzlichen Widerstandsbeitrag, der die beschriebenen Nichtlinearitäten der Widerstands-Temperatur-Verläufe verursacht und zudem empfindlich auf mechanische Dehnung reagiert und so zu erhöhten k-Faktoren führt.
Die Piezoresistivität der Cermet-Schichten resultiert aus der granularen Struktur, in der Ladungsträger zwischen Metallpartikeln tunneln. Mit exponentiell vom Partikelabstand abhängigen Widerständen der Tunnelübergänge resultieren hohe k-Faktoren. Mithilfe von Modellbetrachtungen, in denen Gleichungen für Tunnelwiderstände auf granulare Systeme angewendet werden, werden die experimentellen Ergebnisse diskutiert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die Eigenschaften der Keramik vorrangig auf den Betrag der k-Faktoren auswirken und die Eigenschaften des Metalls vor allem den TKR beeinflussen.
Für die vorliegende Arbeit wurden zur Analyse des Auger-Zerfalls kleiner Moleküle nach Photoionisation die aus der Zerfallsreaktion resultierenden Impuls- und Energiespektren von Photo- und Auger-Elektronen in Koinzidenz mit denen der ionischen Fragmente aufgenommen. Dies ermöglichte eine getrennte Betrachtung der während des Ionisationsschrittes und des Zerfallsschrittes dieses Prozesses besetzten Molekülzustände. Um weitere Einsicht in die Dynamik des Zerfalls zu erhalten, wurden vorhandene theoretische Modelle, welche insbesondere die Interaktion der durch die Reaktion produzierten geladenen Teilchen (Post Collision Interaction) einbeziehen, an die gemessenen Energiespektren angepasst. Dies ermöglichte die separate Betrachtung der im Ionisationsschritt besetzten Molekülzustände. So konnten die Emissionswinkelverteilungen der Photoelektronen im molekülfesten Koordinatensystem für jeden besetzten Anfangszustand einzeln betrachtet werden. Die Trennung der Endzustände des Zerfalls erfolgte über die Analyse des Spektrums der Ionen-Aufbruchsenergie (Kinetic Energy Release) und den Vergleich mit berechneten Potentialkurven der beitragenden Endzustände.
Durch die nach den Anfangszuständen separierte Betrachtung des Auger-Zerfalls wurde es auch möglich, die Auswirkungen dieser Zustände auf die Zerfallsdynamik zu analysieren. Dafür lieferte die Anpassung der Modellprofile die Lebensdauer des jeweiligen 1s-Lochzustandes in dem entsprechenden Zerfallskanal. Diese jeweiligen Lebensdauern eines jeden Zustandes wurden abhängig von verschiedenen Parametern mit einer Genauigkeit im Attosekunden-Bereich aus den Energiespektren der Photoelektronen ermittelt.
In the last two decades, new unpredicted charmonium-like states with extraordinary characteristics have been observed experimentally. These states also known as the XYZ states, e.g., the Y(4260) or the X(3872), are mostly interpreted as QCD allowed exotic hadrons. One of the leading hadron physics experiments in the world, the Beijing Electron Spectrometer III (BESIII) at the Beijing Electron-Positron Collider II (BEPCII) is aiming towards revealing the internal structure of these states. It has brought numerous breakthrough discoveries including the discovery of the charged Zc(3900). In order to understand the nature of the Y(4260) state and its decay patterns, an inclusive analysis is performed for different recoil systems (π+π−,K+K− and K±π∓) using the BESIII data samples for center of mass energies above 4 GeV collected between 2013 and 2019. The aim of this analysis is twofold: on one hand, we search for new unobserved charmonium-like decay channels using the missing mass technique and on the other hand, it provides an accurate inclusive cross section measurement for e+e−→X π+π−, with the X being the J/ψ, hc and ψ(2S), respectively. Two resonant structures, the Y(4220) and the Y(4390), are observed in the inclusive energy dependent Born cross section of e+e−→hc π+π−, which is consistent with the BESIII exclusive measurements. Moreover, the energy dependent cross section of e+e−→J/ψ π+π− is investigated, in which two resonances have consistently been observed with the previous BESIII exclusive studies, namely, the Y(4220) and the Y(4320). In the (K±π±) recoil system, possible Y(4260) open charm decay channels are investigated. Two enhancements are observed in the inclusive energy dependent cross section of e+e−→DD above 4.13GeV, which could possibly be the ψ(4160)and the ψ(4415).
The small photoreceptor Photoactive Yellow Protein (PYP) enters a reversible photocycle after excitation with blue light. The intermediate states are formed on timescales ranging from femtoseconds to seconds including chromophore isomerization and protonation as well as large structural rearrangements. To obtain local dynamic information the vibrational label thiocyanate (SCN) can be inserted site-specifically at any desired position in the protein by cysteine mutation and cyanylation. The label's CN stretch vibration is highly sensitive to polarity, hydrogen bonding interactions and electric fields and is spectrally well separated from the overlapping protein absorptions. During the course of this thesis it was impressively demonstrated that the successful incorporation of the SCN label at selected positions in PYP provides a powerful tool to study structure changes and dynamics during the photocycle and enhance the local information that are obtained by infrared (IR) spectroscopic methods. Hence the SCN-labeled protein mutants were studied under equilibrium (steady-state) and non-equilibrium conditions.
Examination of the SCN absorption by FTIR spectroscopy showed the influence of various local environments on the label for different locations in the dark state. The response of the label under illumination with blue light reveals information about structural changes in the signaling state. Additional information for both states were obtained by the vibrational lifetime of the CN vibration measured via ultrafast IR-pump-IR-probe experiments. This observable is particularly sensitive for solvent exposure of the label. Time-resolved IR spectroscopy proved to be an excellent method to follow the protein dynamics throughout most part of the photocycle on a hundreds of femtoseconds to milliseconds timescale. By close inspection of protein and chromophore dynamics in wildtype-PYP over nine decades in time, new insights into the changes leading to the proposed photocycle intermediates were obtained. The investigation of the SCN label allowed to follow the different transient structure changes with high local resolution. Depending on its position within the protein the response of the label provided additional information on the photocycle transitions.
The insights that are obtained by the different observables in the steady-state and by the reaction of the SCN label to formation of the different intermediate states during the photocycle contribute to an improved understanding of local, light-induced structure changes in the photoreceptor PYP. This comprehensive study demonstrated the potential provided by the application of SCN as IR label for investigation of protein dynamics.
Hofstadter-Hubbard physics
(2020)
The Hofstadter model, besides the Haldane and Kane-Mele models, is the most common tight-binding model which hosts topologically nontrivial states of matter. In its time-reversal-symmetric formulation the model can even describe topological insulators. Experimentally, the Hofstadter model was realized with ultracold quantum gases in optical lattices which is a wellcontrolled way to engineer quantum states of tight-binding Hamiltonians. Another established control parameter in ultracold quantum gases are twoparticle, on-site interactions, also known as Hubbard interactions. This work aims at introducing the reader to the concepts of topological states of matter, a collection of corresponding tight-binding models, and the methodology to treat interacting topological states with dynamical mean-field theory.We present recent results for inhomogeneous, interacting systems, spinimbalanced magnetic systems, propose experimental detection methods, and extensions to three-dimensional topological states.
Understanding the hadron spectrum is one of the primary goals of non-perturbative QCD. Many predictions have experimentally been confirmed, others still remain under experimental investigation. Of particular interest is how gluonic excitations give rise to states with constituent glue. One class of such states are hybrid mesons that are predicted by theoretical models and Lattice QCD calculations. Searching for and understanding the nature of these states is a primary physics goal of the GlueX experiment at the CEBAF accelerator at Jefferson Lab. A search for a JPC = 1−− hybrid meson candidate, the Y(2175), in φ(1020)π+π+ and φ(1020)f0(980) channels in photoproduction on a proton target has been conducted. A first measurement of non-resonant φ(1020)π+π+ and φ(1020)f0(980) total cross sections in photoproduction has been performed. An upper limit on the resonance production cross section for the Y (2175) → φ(1020)π+π+ and Y (2175) → φ(1020)f0(980) channels are estimated. Since the analysis essentially depends on the quality of the charged kaon identification, also an optimization of particle identification through an improvement of the energy loss estimation in the central drift chamber by a truncated mean method has been investigated.
Proteine sind die Maschinen der Zellen. Um die Funktionalität von zahlreichen zellulären Prozessen zu gewährleisten, müssen Kommunikationssignale innerhalb von Proteinen weitergeleitet werden. Die Weiterleitung einer Störung an einem Ort im Protein zu einer entfernten Stelle, an welcher sie strukturelle und/oder dynamische Änderungen auslöst, wird Allosterie genannt. Zunächst wurde Allosterie hauptsächlich mit großräumigen Konformationsänderungen in Verbindung gebracht, aber später entwickelte sich ein dynamischerer Blickwinkel auf Allosterie in Abwesenheit dieser großräumigen Konformationsänderungen. Die Idee eines allosterischen Pfades bestehend aus konservierten und energetisch gekoppelten Aminosäuren, welche die Signalweiterleitung zwischen entfernten Stellen im Protein vermitteln, entstand. Diese allosterischen Pfade wurden durch zahlreiche theoretische Studien in Zusammenhang mit Pfaden effizienten anisotropen Energieflusses gebracht. Der Energiefluss entlang dieser Netzwerke verknüpft allosterische Signalübertragung mit Schwingungsenergietransfer (VET - vibrational energy transfer). Die Großzahl der Forschungsarbeiten über dynamische Allosterie basiert auf theoretischen Methoden, weil nur wenige geeignete experimentelle Verfahren existieren. Um diesen essentiellen biologischen Prozess der Informationsübertragung besser verstehen zu können, ist die Entwicklung neuer und leistungsstarker experimenteller Instrumente und Techniken daher dringend erforderlich. Die vorliegende Dissertation setzt sich dies zum Ziel.
VET in Proteinen ist aufgrund der Proteingeometrie inhärent anisotrop. Alle globulären Proteine besitzen Kanäle effizienten Energieflusses, von denen vermutet wird, dass sie wichtig für Proteinfunktionen, wie die schnelle Ableitung von überschüssiger Wärme, Ligandenbindung und allosterische Signalweiterleitung, sind. VET kann mit zeitaufgelöster Infrarot (IR) Spektroskopie untersucht werden, bei welcher ein Femtosekunden Anregepuls eines Lasers Schwingungsenergie in ein molekulares System an einer bestimmten Stelle injiziert und ein, nach einem veränderbarem Zeitintervall folgender, IR Abfragepuls die Ausbreitung dieser Schwingungsenergie detektiert. Ein protein-kompatibler und universell einsetzbarer Chromophor, der die Energie eines sichtbaren Photons in Schwingungsenergie konvertiert, wird als Heizelement benötigt um langreichweitige VET Pfade in Proteinen kartieren zu können. Der Azulen (Azu) Chromophor eignet sich dafür, weil er nach Photoanregung des ersten elektronischen Zustandes durch ultraschnelle interne Konversion fast die gesamte injizierte Energie innerhalb von einer Picosekunde in Schwingungsenergie umwandelt. Eingebettet in die nicht-kanonische Aminosäure (ncAA - non-canonical amino acid) ß-(1-Azulenyl)-L-Alanine (AzAla), kann der Azu Rest in Proteine eingebaut werden. Die Ankunft der injizierten Schwingungsenergie an einer bestimmten Stelle im Protein kann mithilfe eines IR Sensors detektiert werden. Die Kombination aus Azu als VET Heizelement und Azidohomoalanine (Aha) als VET Sensor mit transienter IR (TRIR) Spektroskopie wurde schon erfolgreich an kleinen Peptiden in der Dissertation von H. M. Müller-Werkmeister getestet, die der vorliegenden Dissertation in den Laboren der Bredenbeck Gruppe vorausging.
Die Schwingungsfrequenz chemischer Bindungen ist hochempfindlich auf selbst kleine Änderungen der Konformation und Dynamik in der unmittelbaren Umgebung und kann mit IR Spektroskopie gemessen werden, z. B. mit Fourier Transform IR (FTIR) Spektroskopie. IR Spektroskopie bietet eine außergewöhnlich gute Zeitauflösung, die es ermöglicht, dynamische Prozesse in Molekülen auf einer Zeitskala von wenigen Picosekunden zu beobachten, wie z. B. die ultraschnelle Weiterleitung von Schwingungsenergie. Mit zweidimensionaler (2D)-IR Spektroskopie können die Relaxation von schwingungsangeregten Zuständen und strukturelle Fluktuationen um die schwingende Bindung untersucht werden. Allerdings geht die herausragende Zeitauflösung mit limitierter spektraler Auflösung einher. In größeren Molekülen mit zahlreichen Bindungen überlagern sich die Schwingungsbanden und die Ortsauflösung geht verloren. Um diese Limitierung zu überwinden, können IR Marker benutzt werden, chemische Gruppen, die in einer spektral durchsichtigen Region des Protein/Wasser Spektrums (1800 bis 2500 cm-1) absorbieren. Als ncAA können sie kotranslational in Proteine an einer gewünschten Stelle eingebaut werden und so ortsspezifische Informationen aus dem Proteininneren liefern. Aufgrund ihrer geringen Größe, eines relativ großen Extinktionskoeffizientens (350-400 M-1cm-1) und einer hohen Empfindlichkeit auf Änderungen in der lokalen Umgebung sind organische Azide (N3) wie zum Beispiel Aha besonders geeignete IR Marker. Aha kann als Methionin Analogon ins Protein eingebaut werden.
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This Dissertation deals with the development of FAIR-relevant X-ray diagnostics based on the interaction of lasers and particle beams with matter. The associated experimental methods are supposed to be employed in the HIHEX-experiments in the HHT-cave of the GSI Helmholtz Center for Heavy-Ion Research GmbH (GSI) in Phase-0 and in the APPA-cave at the Facility for Antiproton and Ion Research in Darmstadt, Germany.
Diagnostic of high aerial density targets that will be used in FAIR experiments demands intense and highly penetrating X-ray sources. Laser generated well-directe relativistic electron beams that interact with high Z materials is an excellent tool for generation of short-pulse high luminous sources of MeV-gammas.
In pilot experiments carried out at the PHELIX laser system, GSI Darmstadt, relativistic electrons were produced in a long scale plasma of near critical electron density (NCD) by the mechanism of the direct laser acceleration (DLA). Low density polymer foam layers preionised by a well-defined nanosecond laser pulse were used as NCD targets. The analysis of the measured electron spectra showed up to 10- fold increase of the electron "temperature" from T_Hot = 1–2 MeV, measured for the case of the interaction of 1–2 ×10^19 Wcm^(−2) ps-laser pulse with a planar foil, up to 14 MeV for the case when the relativistic laser pulse propagates through the by a ns-pulse preionised foam layer. In this case, up to 80–90 MeV electron energy was registered. An increase of the electron energy was accompanied by a strong increase of the number of relativistic electrons and well-defined directionality of the relativistic electron beam measured to be (12 ±1)° (FWHM). This directionality increases the gamma flux on target by far compared to the soft X-ray sources.
Additionally to laser based active diagnostics, passive techniques involving inherent X-ray fluorescence radiation of projectile and target emitted during heavy-ion target interaction can be used to measure the ion beam distribution on shot. This information is of great importance, since the target size is chosen to be smaller than the beam focus in order to ensure homogeneous heating of the HIHEX-target by the ion beam. High amounts of parasitic radiation and activation of experimental equipment is expected for experiments at the APPA-cave. For this reason, all electronic devices must be placed at a safe distance to the target chamber. In order to transport the signal over a large distance, the X-ray image of the target irradiated by heavy-ions has to be converted into an optical one.
For these purposes, the X-ray Conversion to Optical radiation and Transport (XCOT)-system was developed in the frame of a BMBF-project and commissioned in two beamtimes at the UNILAC, GSI during this work.
In experiments, we observed intense radiation of target atoms (K-shell transitions in Cu at 8–8.3 keV and L-shell transition in Ta) ionised in collisions with heavy ions as well as Doppler-shifted L-shell transitions of Au-projectiles passing through targets. This radiation can be used for monochromatic (dispersive elements like bent crystals) or polychromatic (pinhole) 2D X-ray mapping of the ion beam intensity distribution in the interaction region during the beam-target interaction. We measured the efficiency of the X-ray photon production depending on the target thickness and the number of ions passing through the target. The spatial resolution of the XCOT-system based on the multi-pinhole camera was measured to be (91±17) μm for the image magnification factor M = 2. It was considerably improved by application of a toroidally bent quartz crystal and reached 30 μm at M = 6. This resolution is optimal to image the distribution of a 1mm in diameter ion beam. As next step, the XCOT-system will be tested during the SIS18 beam-time at the HHT-experimental area.