OPUS 4 | Universitätspublikationen

Measuring shear viscosity using correlations (2007)

Sean Gavin Mohamed Abdel-Aziz

Measurements of transverse momentum fluctuations can be used to determine the shear viscosity [1]. We use current data to estimate the viscosity-to-entropy ratio in the range from 0.08 to 0.3, and discuss how future measurements can reduce this uncertainty.

Strong coupling expansion for Yang-Mills theory at finite temperature (2007)

Jens Langelage Gernot Münster Owe Philipsen

Euclidean strong coupling expansion of the partition function is applied to lattice Yang-Mills theory at finite temperature, i.e. for lattices with a compactified temporal direction. The expansions have a finite radius of convergence and thus are valid only for b <bc, where bc denotes the nearest singularity of the free energy on the real axis. The accessible temperature range is thus the confined regime up to the deconfinement transition. We have calculated the first few orders of these expansions of the free energy density as well as the screening masses for the gauge groups SU(2) and SU(3). The resulting free energy series can be summed up and corresponds to a glueball gas of the lowest mass glueballs up to the calculated order. Our result can be used to fix the lower integration constant for Monte Carlo calculations of the thermodynamic pressure via the integral method, and shows from first principles that in the confined phase this constant is indeed exponentially small. Similarly, our results also explain the weak temperature dependence of glueball screening masses below Tc, as observed in Monte Carlo simulations. Possibilities and difficulties in extracting bc from the series are discussed.

Twisted mass QCD at finite temperature (2007)

Ernst-Michael Ilgenfritz Michael Müller-Preußker Marcus Petschlies Karl Jansen Maria Paola Lombardo Owe Philipsen Lars Zeidlewicz André Sternbeck

We discuss the use of Wilson fermions with twisted mass for simulations of QCD thermodynamics. As a prerequisite for a future analysis of the finite-temperature transition making use of automatic O(a) improvement, we investigate the phase structure in the space spanned by the hopping parameter k , the coupling b , and the twisted mass parameter m. We present results for Nf = 2 degenerate quarks on a 163×8 lattice, for which we investigate the possibility of an Aoki phase existing at strong coupling and vanishing m, as well as of a thermal phase transition at moderate gauge couplings and non-vanishing m.

Exploring the QCD phase diagram (2007)

Owe Philipsen

Lattice simulations employing reweighting and Taylor expansion techniques have predicted a (m;T)-phase diagram according to general expectations, with an analytic quark-hadron crossover at m =0 turning into a first order transition at some critical chemical potential mE. By contrast, recent simulations using imgainary m followed by analytic continuation obtained a critical structure in the fmu;d;ms;T;mg parameter space favouring the absence of a critical point and first order line. I review the evidence for the latter scenario, arguing that the various raw data are not inconsistent with each other. Rather, the discrepancy appears when attempting to extract continuum results from the coarse (Nt =4) lattices simulated so far, and can be explained by cut-off effects. New (as yet unpublished) data are presented, which for Nf = 3 and on Nt = 4 confirm the scenario without a critical point. Moreover, simulations on finer Nt = 6 lattices show that even if there is a critical point, continuum extrapolation moves it to significantly larger values of mE than anticipated on coarse lattices.

Signals of the QCD Phase Transition in the Heavens (2007)

Jürgen Schaffner–Bielich

The modern phase diagram of strongly interacting matter reveals a rich structure at high-densities due to phase transitions related to the chiral symmetry of quantum chromodynamics (QCD) and the phenomenon of color superconductivity. These exotic phases have a significant impact on high-density astrophysics, such as the properties of neutron stars, and the evolution of astrophysical systems as proto-neutron stars, core-collapse supernovae and neutron star mergers. Most recent pulsar mass measurements and constraints on neutron star radii are critically discussed. Astrophysical signals for exotic matter and phase transitions in high-density matter proposed recently in the literature are outlined. A strong first order phase transition leads to the emergence of a third family of compact stars besides white dwarfs and neutron stars. The different microphysics of quark matter results in an enhanced r-mode stability window for rotating compact stars compared to normal neutron stars. Future telescope and satellite data will be used to extract signals from phase transitions in dense matter in the heavens and will reveal properties of the phases of dense QCD. Spectral line profiles out of x-ray bursts will determine the mass-radius ratio of compact stars. Gravitational wave patterns from collapsing neutron stars or neutron star mergers will even be able to constrain the stiffness of the quark matter equation of state. Future astrophysical data can therefore provide a crucial cross-check to the exploration of the QCD phase diagram with the heavy-ion program of the CBM detector at the FAIR facility.

Status and promise of particle interferometry in heavy-ion collisions (2007)

Selemon Bekele Fabio Braghin Zbigniew Chajecki Paul Chung John G. Cramer Tamás Csörgo Hans Eggers Sean Gavin Frédérique Grassi Yogiro Hama Adam Kisiel Che-Ming Ko Tomoi Koide Gastão Krein Roy Lacey Richard Lednický Michael A. Lisa Wesley Metzger Dariusz Miskowiec Kenji Morita Sandra S. Padula Scott Pratt Wei-Liang Qian Vladislav Simak Yuri Sinyukov Michal Sumbera Bernardo M. Tavares Giuseppe Verde Detlef Zschiesche

After five years of running at RHIC, and on the eve of the LHC heavy-ion program, we highlight the status of femtoscopic measurements. We emphasize the role interferometry plays in addressing fundamental questions about the state of matter created in such collisions, and present an enumerated list of measurements, analyses and calculations that are needed to advance the field in the coming years.

Fermionic fields in the pseudoparticle approach (2007)

Marc Wagner

The pseudoparticle approach is a numericalmethod to compute path integralswithout discretizing spacetime. The basic idea is to consider only those field configurations, which can be represented as a linear superposition of a small number of localized building blocks (pseudoparticles), and to replace the functional integration by an integration over the pseudoparticle degrees of freedom. In previous papers we have successfully applied the pseudoparticle approach to SU(2) Yang-Mills theory. In this work we discuss the inclusion of fermionic fields in the pseudoparticle approach. To test our method, we compute the phase diagram of the 1+1-dimensional Gross-Neveu model in the large-N limit as well as the chiral condensate in the crystal phase.

Thermodynamische Untersuchungen an den niedrigdimensionalen Spinsystemen HP-(VO)2P2O7, SrCu2(BO3)2 und Azurit (2007)

Andreas Brühl

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den Tieftemperatureigenschaften dreier niedrigdimensionaler Spinsysteme. Der experimentelle Schwerpunkt liegt auf Messungen zur thermischen Ausdehnung und zur spezifischen Wärme, die mit einem hochauflösenden kapazitiven Dilatometer bzw. einem AC-Kalorimetrie-Aufbau durchgeführt wurden. Da die sogenannten magnetischen Grüneisenparameter, die die Stärke der Kopplung des magnetischen Teilsystems ans Gitter beschreiben, durchweg sehr groß sind, liefern insbesondere die thermischen Ausdehnungsmessungen wertvolle Informationen zum Verständnis der behandelten Systeme. Das zentrale Ergebnis dieser Arbeit stellen Messungen an der Hochdruckphase von (VO)2P2O7, kurz HP-VOPO, dar. Dieses System besteht aus alternierenden Spinketten, wobei die beiden Austauschkonstanten ähnliche Werte haben, das heißt es liegt nur eine schwache Alternierung vor. In der thermischen Ausdehnung beobachtet man eine insbesondere in Kettenrichtung sehr ausgeprägte Anomalie bei etwa 13 K. Die Erklärung dieser Anomalie offenbart einen neuartigen Aspekt von alternierenden Spinketten mit schwacher Alternierung, der auf dem Vorhandensein von zwei deutlich verschiedenen Energieskalen beruht, zum einen der größeren der beiden Austauschkonstanten und zum anderen der Energielücke im System. Eine sehr gute quantitative Beschreibung der thermischen Ausdehnungsmessungen gelingt durch eine Erweiterung des herkömmlichen Grüneisenmodells, welches eine Proportionalität zwischen den magnetischen Beiträgen zur thermischen Ausdehnung und zur spezifischen Wärme vorsieht, auf Systeme mit zwei magnetischen Austauschkonstanten. In diesem Fall tritt in der thermischen Ausdehnung ein zusätzlicher, zur Ableitung der Entropie nach der Energielücke proportionaler Term auf, der durch Messungen zur spezifischen Wärme nicht zugänglich ist. Aus den unter Verwendung dieses Modells bestimmten Grüneisenparametern lässt sich folgern, dass die ausgeprägte Tieftemperaturanomalie in HP-VOPO zum Teil von der starken Verzerrungsabhängigkeit der kleineren der beiden Austauschkonstanten, zum Teil aber auch von der Nähe zu einem quantenkritischen Punkt verursacht wird. Das zweidimensionale Dimersystem SrCu2(BO3)2 hat insbesondere durch die Lokalisierung der Triplettanregungen und die dadurch bedingten Magnetisierungsplateaus bei gewissen Bruchteilen der Sättigungsmagnetisierung Berühmtheit erlangt. In der thermischen Ausdehnung wird eine deutliche Anomalie bei der gleichen Temperatur beobachtet (T = 8K), wo sie auch in der spezifischen Wärme auftritt. Sie lässt sich durch die thermische Anregung der lokalisierten Tripletts erklären. Abschließend werden Messungen am natürlichen Mineral Azurit vorgestellt, bei dem die Spins zu sogenannten Diamantketten angeordnet sind. In der Literatur wird noch diskutiert, ob es sich bei Azurit um die magnetisch frustrierte Variante einer solchen Kette handelt. In der magnetischen Suszeptibilität, der spezifischen Wärme und der thermischen Ausdehnung tritt eine auffallende Doppelstruktur auf. Im Tieftemperaturbereich lässt sich die spezifische Wärme gut mit dem effektiven Modell einer homogenen Spinkette beschreiben. Auch der lambdaförmige antiferromagnetische Ordnungsübergang wurde untersucht und das in der Literatur bis B = 2 T gegebene Phasendiagramm, bestehend aus paramagnetischer, antiferromagnetische und Spin-Flop-Phase, bis B = 10 T erweitert.

Entwicklung einer supraleitenden CH-Beschleuniger-Struktur für leichte und schwere Ionen (2007)

Holger Liebermann

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung des Prototypen einer supraleitenden CH-Beschleuniger-Struktur. Viele zukünftige Beschleunigeranlagen benötigen ein hohes Tastverhältnis bis hin zum so genannten cw-Betrieb. Dies würde bei normalleitenden Beschleunigern zu sehr großer Wärmeentwicklung führen, welche durch aufwendige Verfahren weggekühlt werden müsste. Da dies meistens gar nicht mehr möglich ist, kommen in solchen Bereichen heutzutage schon häufig supraleitende Beschleuniger zum Einsatz. Große Projekte, die im Hochenergiebereich auf die Supraleitung setzten, sind die SNS Beschleunigeranlage in Oak Ridge (Inbetriebnahme läuft) und das RIA-Projekt, welches radioaktive Isotope beschleunigen soll. Auch zukünftige Projekte, wie ein cw-Linac zur SHE-Synthese, EUROTRANS und IFMIF, sind ohne supraleitende Komponenten nur schwer vorstellbar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zunächst die anderen zur Familie der so genannten H-Moden-Beschleuniger gehörenden Resonatoren kurz vorgestellt. Danach wurde eine Einführung in die Supraleitung mit den wichtigsten Parametern für Niob und den HF-Eigenschaften von Supraleitern gegeben. Um Beschleuniger zu charakterisieren wurde in einem weiteren Kapitel ein überblick über wichtige Kenngrößen gegeben. Dabei wurde auch ein Vergleich der Skalierung von verschiedenen Parametern zwischen Normalleitung und Supraleitung gegeben. Da die Simulationsrechnungen mit dem Programm CST MicroWave Studio durchgeführt wurden, wurden die Grundlagen dieses Programms ebenfalls eingeführt. Es basiert auf der Finiten Integrationstheorie, welche die Maxwell-Gleichungen in eine Zwei-Gitter-Matrixform überführt, damit diese numerisch gelöst werden können. In einem weiteren Kapitel wurde eine Methode zur Bestimmung der Einkopplungsstärke in einen Resonator näher beschrieben. Dabei wurde auf zwei wesentliche Einkopplungsarten, die induktive und die kapazitive, im Detail eingegangen. Die Bestimmung der so genannten externen Güte stellt einen wesentlichen Punkt dar, um die Leitung, die durch einen Sender und Verstärker zur Verfügung gestellt wird, möglichst optimal in den Beschleuniger einzuführen. Wobei auch hierbei wieder auf die Unterschiede zwischen einer Einkopplung in einen normalleitenden und einen supraleitenden Beschleuniger eingegangen wurde. Bei einer supraleitenden Struktur erfolgt die Einkopplung in der Regel überkoppelt. Dies bedeutet, dass man durch zu starke Einkopplung die belastete Güte des Systems herabsetzt, damit eine bessere Regelung möglich ist. Um eine numerische Methode auf ihre Tauglichkeit hin zu testen, wurde zuerst eine Pillbox genommen, um die simulierten Ergebnisse mit einer Messung zu vergleichen. Als sich dabei sehr gute Ergebnisse herausstellten, wurde die Methode noch an einem Kupfermodell einer CH-Struktur verifiziert, bevor die Einkopplung für den supraleitenden Prototyp berechnet wurde. Im 7. Kapitel dieser Arbeit wurden die Voraussetzungen, die vorher geschaffen wurden, für die Optimierung des Prototyps der supraleitenden CH-Struktur angewendet. Dabei ging es um die Optimierung der Feldverteilung auf der Strahlachse durch Anpassung des Endzellendesigns, der Stützenoptimierung, um die magnetischen und elektrischen Spitzenfelder zu reduzieren, einer Untersuchung des Quadrupolanteils in den Spalten der CH-Struktur, der Einkopplung und schließlich um die Möglichkeit des statischen Tunings während der Fertigstellung der Struktur. Auf Grund dieser Untersuchungen wurde schließlich die Fertigstellung eines ersten supraleitenden Prototyps bei der Firma ACCEL in Bergisch-Gladbach in Auftrag gegeben. Diese Struktur wurde in mehreren Kalttests untersucht. Dabei konnten die vorher durch die Simulation festgelegten Designparameter sehr gut verifiziert werden. In den beiden letzten Kapiteln wurden noch Simulationen für eine im Betrieb befindliche Beschleunigeranlage durchgeführt und ein Ausblick auf mögliche Einsatzgebiete der supraleitenden CH-Struktur gegeben. Die durchgeführten Optimierungen für den Hochstrominjektor führten zu einem stabileren Betrieb der Anlage. Durch diese Arbeit konnte gezeigt werden, dass die neuentwickelte CH-Struktur für den Einsatz in supraleitenden Beschleunigern sehr gut geeignet ist. Sie stellt eine sehr kompakte Struktur dar und bietet somit auf kurzer Stecke eine hohe Beschleunigung. Sie ist im Bereich von 10-30% Lichtgeschwindigkeit die einzige supraleitende Vielzellenstruktur.

Erzeugung und Diagnostik eines HF-Plasmas in einem statischen magnetischen Quadrupolfeld (2007)

Christian Teske

Die vorliegende Arbeit präsentiert die Ergebnisse der Erzeugung und Diagnostik eines HF-Plasmas in einem magnetischen Quadrupolfeld. Einen Schwerpunkt bildete dabei der Einfluss des magnetischen Quadrupolfeldes auf die Plasmaparameter Elektronentemperatur Te und Elektronendichte ne. Die Extraktion eines Ionenstrahls bietet die Möglichkeit, Zusammenhänge zwischen den erreichten Strahlparametern und den physikalischen Eigenschaften des HF-Plasmas herzustellen. Zudem wird eine Korrelation zwischen der Geometrie der Entladung, der erreichbaren Plasmaparameter und der eingespeisten HF-Leistung aufgezeigt werden. Zunächst wurde die Elektronentemperatur in Abhängigkeit vom eingestellten Gasdruck und von der Stromstärke in den Feldspulen des magnetischen Quadrupols vermessen. Die Emissionsspektroskopie bot sich hierbei als nicht invasive Diagnostik an. Eine umfangreiche Messreihe ergab schließlich ein Profil der Elektronentemperatur, als Funktion der variablen Parameter Gasdruck und Erregerstromstärke. Die Elektronentemperatur im Plasma lag dabei im Bereich zwischen 3eV ohne Magnetfeld bis maximal 11eV mit magnetischem Einschluss. Hierbei zeigten sich einige, auf den ersten Blick überraschende Ergebnisse. So ergab sich ein lokales Maximum der Elektronentemperatur von 11eV bei einem Gasdruck von 1Pa und einer Flussdichte von 11mT. Als physikalische Ursache konnte die Kombination aus zwei resonanten Heizmechanismen identifiziert werden. Sowohl die stochastische Heizung als auch die lokale Anwesenheit von Zyklotronresonanzbedingungen führten zu einer starken Erhöhung der Elektronentemperatur. Ferner konnte experimentell nachgewiesen werden, dass die charakteristischen Eigenschaften des Quadrupolfeldes, das Entstehen dieser Heizmechanismen in einem engen Parameterbereich begünstigte. In diesem Zusammenhang ist die Ausprägung einer Gyroresonanzzone im HF-Plasma erwähnenswert, deren Ausdehnung mit dem Erregerstrom in den Feldspulen des Quadrupols skaliert und die einen maßgeblichen Einfluss auf die Ausprägung hochenergetischer Elektronen hat. Neben der Diagnostik stand auch die Extraktion eines Ionenstrahls im Vordergrund. Das Potential des Gesamtsystems, als Ionenquelle zu fungieren wurde dabei experimentell verifiziert. Spezifische Strahlstromdichten von 8mA/cm²kW konnten dabei erreicht werden. Es ergab sich hierdurch auch die Möglichkeit, einen Zusammenhang zwischen der Elektronendichte im Plasma und der eingespeisten HF-Leistung herzustellen. Die Ergebnisse dienten anschließen dazu, den Einschluss des Plasmas im magnetischen Quadrupolfeld zu quantifizieren. Beim Betrieb des Plasmagenerators ohne Magnetfeld wurden Elektronendichten von 3 . 1016m-3 erzielt. Mit fokussierendem Quadrupolfeld konnte eine lokale Steigerung der Elektronendichte um den Faktor 10 auf 3 . 1017m-3 dokumentiert werden, was die theoretischen Studien von C. Christiansen und J. Jacoby [Chr99], zu den fokussierenden Eigenschaften eines magnetischen Quadrupols, bestätigte. Große Sorgfalt war bei der Konzeption der HF-Einspeisung erforderlich. Da für Entladungsplasmen ein im hohen Maß nichtlinearer Zusammenhang, zwischen den Plasmaparametern und der eingespeisten HF-Leistung besteht, erwies sich die Entwicklung einer HF-Einkopplung als besondere Herausforderung. Hier zeigte sich die Plasmadiagnostik als unverzichtbares Hilfsmittel, um theoretische Vorhersagen und experimentellen Befund in Einklang zu bringen. Als limitierende Rahmenbedingungen erwiesen sich hier die Abmessungen des Quadrupols. In der vorliegenden Arbeit konnte dokumentiert werden, wie die geometrischen Einschränkungen die Auswahl der HF-Einkopplung bestimmten. Das zur Untersuchung des magnetischen Plasmaeinschlusses verwendete Glasrohr, mit einer verhältnismäßig großen Oberfläche und einem vergleichsweise kleinem Volumen, war für eine kapazitive HF-Einkopplung wesentlich besser geeignet als für die ursprünglich antizipierte induktive Plasmaanregung. Die physikalischen Zusammenhänge zwischen den erreichbaren Plasmaparametern, der verwendeten Koppelmethode, der erzielbaren Stromstärke des Ionenstrahls und den Abmessungen des Entladungsgefäßes, konnten durch eine umfassende Analyse aufgeklärt werden. Zudem wurde auch die Problematik des Zerstäubens von Elektrodenmaterial einer qualitativen Untersuchung unterzogen. Hier kristallisierten sich vor allen Dingen die hohen Randschichtpotentiale bei der verwendeten HF-Einkopplung, als physikalische Ursache für die Sputterrate heraus. Basieren auf den gewonnenen Erkenntnissen wurde eine Maßnahme zur Reduzierung der Sputterproblematik vorgenommen. Die Untersuchung des magnetisch eingeschlossenen Entladungsplasmas brachte Einsichten über die Zusammenhänge zwischen gewählter HF-Einkopplung, den Plasmaparametern und den Rahmenbedingungen der Entladungsgeometrie. Es ergeben sich hierdurch wichtige Erkenntnisse, die eine Aufskalierung des vorliegenden Aufbaus hin zu einer Hochstromionenquelle mit spezifischen Strahlstromdichten von 100mA/cm²kW ermöglichen. Ferner ist auch ein Einsatz der Konfiguration als Plasmatarget möglich, um Wechselwirkungen zwischen hochenergetischen Schwerionen und magnetisch fokussierten Entladungsplasmen zu untersuchen.

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