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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.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Reaktionsmikroskop (REMI) nach dem Messprinzip COLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectrometry) neu konstruiert und aufgebaut. Die Leistungsfähigkeit des Experimentaufbaus konnte sowohl in diversen Testreihen als auch anschließend unter realen Messbedingungen an der Synchrotronstrahlungsanlage SOLEIL und am endgültigen Bestimmungsort SQS-Instrument (Small Quantum Systems) des Freie-Elektronen-Lasers European XFEL (X-ray free-electron laser) eindrucksvoll unter Beweis gestellt werden.
Mit der Experimentiertechnik COLTRIMS ist es möglich, alle geladenen Fragmente einer Wechselwirkung eines Projektilteilchens mit einem Targetteilchen mittels zweier orts- und zeitauflösender Detektoren nachzuweisen. In einem Vakuumrezipienten wird die als Molekularstrahl präparierte Targetsubstanz inmitten der Hauptkammer zentral mit einem Projektilstrahl (z.B. des XFEL) zum Überlapp gebracht, sodass dort eine Wechselwirkung stattfinden kann. Bei den entstehenden Fragmenten handelt es sich um positiv geladene Ionen sowie negative geladene Elektronen. Elektrische Felder, erzeugt durch eine Spektrometer-Einheit, sowie durch Helmholtz-Spulen erzeugte magnetische Felder ermöglichen es, die geladenen Fragmente in Richtung der Detektoren zu lenken. Die Orts- und Zeitmessung eines einzelnen Teilchens (z.B. eines Ions) findet in Koinzidenz mit den anderen Teilchen (z.B. weiteren Ionen bzw. Elektronen) statt. Mit dieser Messmethode können die Impulsvektoren und Ladungszustände aller geladenen Fragmente in Koinzidenz gemessen werden. Da hierbei die geometrische Anordnung der einzelnen Komponenten für die Leistungsfähigkeit des Experiments eine entscheidende Rolle spielt, mussten bei der Neukonstruktion des COLTRIMS-Apparates für den Einsatz an einem Freie-Elektronen-Laser (FEL) einige Rahmenbedingungen erfüllt werden. Besonders wurden die hohen Vakuumvoraussetzungen an den Experimentaufbau aufgrund der enormen Lichtintensität eines FEL beachtet. Das Zusammenspiel der vielen Einzelkomponenten konnte zunächst in mehreren Testreihen überprüft werden. Unter anderem durch Variation der Vakuumbauteile in Material und Beschaffenheit konnten die zuvor ermittelten Vorgaben schließlich erreicht werden. Das neu konstruierte Target-Präparationssystem zur Erzeugung molekularer Gasstrahlen erlaubt nun den Einsatz von bis zu vier unterschiedlich dimensionierten, differentiell gepumpten Stufen. Zudem wurden hochpräzise Piezo-Aktuatoren verbaut, welche die Bewegung von Blenden im Vakuum erlauben, wodurch eine variable Einstellung des lokalen Targetdrucks ermöglicht wird. Die Anpassung der elektrischen Felder des Spektrometers für ein jeweiliges Experiment wurde mittels Simulationen der Teilchentrajektorien, Teilchenflugzeiten sowie der Detektorauflösung durchgeführt.
Da die in dieser Arbeit besprochenen Messungen und Ergebnisse die Wechselwirkungsprozesse von Röntgenstrahlung bzw. Synchrotronstrahlung mit Materie thematisieren, wird die Erzeugung von Synchrotronstrahlung sowohl in Kreisbeschleunigern als auch in den modernen Freie-Elektronen-Lasern (FEL) erklärt und hergeleitet. Der im Röntgenbereich arbeitende Freie-Elektronen-Laser European XFEL, welcher u.A. als Strahlungsquelle für die hier gezeigten Experimente diente, ist eine von derzeit noch wenigen Anlagen ihrer Art weltweit. Seine Lichtintensität in diesem Wellenlängenbereich liegt bis zu acht Größenordnungen über den bisher verwendeten Anlagen für Synchrotronstrahlung.
Beim ersten Einsatz der neuen Apparatur an der Synchrotronstrahlungsanlage SOLEIL wurde der ultraschnelle Dissoziationsprozess von Chlormethan (CH3Cl) untersucht. Während des Zerfallsprozesses nach Anregung durch Röntgenstrahlung werden hochenergetische Auger-Elektronen emittiert, welche in Koinzidenz mit verschiedenen Molekülfragmenten nachgewiesen wurden. Durch den Zerfallsmechanismus der ultraschnellen Dissoziation wird die Auger-Elektronenemission nach resonanter Molekülanregung während der Dissoziation des Moleküls beschrieben. Die kinetische Energie des Auger-Elektrons ist dabei abhängig von seinem Emissionszeitpunkt. Somit können die gemessenen Auger-Elektronen ein „Standbild“ der zeitlichen Abfolge des Dissoziationsprozesses liefern.
Es wird eine detaillierte Beschreibung der Datenanalyse vorgenommen, welche aus Kalibrationsmessungen und einer Interpretation der Messdaten besteht. Die abschließende Betrachtung besteht in der Darstellung der Elektronenemissionswinkelverteilungen im molekülfesten Koordinatensystem. Die Winkelverteilung der Auger-Elektronen wird am Anfang der Dissoziation vom umgebenden Molekül- potential beeinflusst und zeigt deutliche Strukturen entlang der Bindungsachse. Entfernen sich die Bindungspartner voneinander und das Auger-Elektron wird währenddessen emittiert, so verschwinden diese Strukturen zunehmend und eine Vorzugsemissionsrichtung senkrecht zur Molekülachse wird sichtbar.
Die Analyse der Messdaten zur Untersuchung von Multiphotonen-Ionisation an Sauerstoff-Molekülen am Freie-Elektronen-Laser European XFEL ermöglichte unter anderem die Beobachtung „hohler Moleküle“, also Systemen mit Doppelinnerschalen- Vakanzen. Solche Zustände können vor allem durch die sequentielle Absorption zweier Photonen entstehen, wobei die hierbei nötige Photonendichte nur von FEL- Anlagen bereit gestellt werden kann. Hier konnte das Ziel erreicht werden, erstmalig die Emissionswinkelverteilungen der Photoelektronen von mehrfach ionisierten Sauerstoff-Molekülen (O+/O3+-Aufbruchskanal) als Folge der ablaufenden Mechanismen femtosekundengenau zu beobachten. Hierzu wurde ein vereinfachtes Schema der verschiedenen Zerfallsschritte erstellt und schließlich ermittelt, dass der Zerfall durch eine PAPA-Sequenz beschrieben werden kann. Bei dieser handelt es sich um die zweimalige Abfolge von Photoionisation und Auger-Zerfall. Somit werden vier positive Ladungen im Molekül erzeugt. Das zweite Photon des XFEL wird dabei während der Dissoziation der sich Coulomb-abstoßenden Fragmente absorbiert, weshalb es sich um einen zweistufigen Prozess aus Anrege- und Abfrage- Schritt (Pump-Probe) handelt. Schlussendlich gelang zudem der Nachweis von Doppelinnerschalen-Vakanzen im Sauerstoff-Molekül nach Selektion des O2+/O2+- Aufbruchkanals. Hierfür konnten die beiden Möglichkeiten einer zweiseitigen oder einseitigen Doppelinnerschalen-Vakanz getrennt betrachtet werden und ebenfalls erstmalig das Verhalten der Elektronenemission dieser beiden Zustände verglichen werden.