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Development of RFQ particle dynamics simulation tools and validation with beam tests
(2010)
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Johannes Maus
- A basic introduction to RFQs has been given in the first part of this thesis. The principle and the main ideas of the RFQ have been described and a small summary of different resonator concepts has been given. Two different strategies of designing RFQs have been introduced. The analytic description of the electric fields inside the quadrupole channel has been derived and the limitation of these approaches were shown. The main work of this thesis was the implementation and analysis of a Multigrid Poisson solver to describe the potential and electric field of RFQs which are needed to simulate the particle dynamics accurately. The main two ingredients of a Multigrid Poisson solver are the ability of a Gauß-Seidel iteration method to smooth the error of an approximation within a few iteration steps and the coarse grid principle. The smoothing corresponds to a damping of the high frequency components of the error. After the smoothing, the error term can well be approximated on a coarser grid in which the low frequency components of the error on the fine grid are converted to high frequency errors on the coarse grid which can be damped further with the same Gauß-Seidel method. After implementation, the multigrid Poisson solver was analyzed using two different type of test problems: with and without a charge density. After illustrating the results of the multigrid Poisson solver, a comparison to the field of the old multipole expansion method was made. The multipole expansion method is an accurate representation of the field within the minimum aperture, as limited by cylindrical symmetry. Within these limitations the multigrid Poisson solver and the multipole expansion method agree well. Beyond the limitation the two method give different fields. It was shown that particles leave the region in which the multipole expansion method gives correct fields and that the transmission is affected therefrom as well as the single particle dynamic. The multigridPoisson solver also gives a more realistic description of the field in the beginning of the RFQ, because it takes the tank wall into account, and this effect is shown as well. Closing the analysis of the external field, the transmission and fraction of accelerated particles of the set of 12 RFQs for the two different methods were shown. For RFQs with small apertures and big modulations the two different method give different values for the transmission due to the limitation of the multipole expansion method. The internal space charge fields without images was analyzed at the level of single particle dynamic and compared to the well known SCHEFF routine from LANL, showing major differences for the analyzed particle. For comparing influences on the transmissions of the set of 12 RFQs a third space charge routine (PICNIC) was considered as well. The basic shape of the transmission curve was the same independent of space charge routines, but the absolute values differ a little from routine to routine, with SCHEFF about 2% lower than the other routines. The multigrid Poisson solver and PICNIC agree quite well (less than 1%), but PICNIC has an extremely long running time. The major advantage of the multigrid Poisson solver in calculating space charge effects compared to the other two routines used here is that the Poisson solver can take the effect of image charges on the electrodes into account by just changing the boundaries to have the shape of the vanes whereas all other settings remain unchanged. It was demonstrated that the effect of image charges on the vanes on the space charge field is very big in the region close to the electrodes. Particles in that region will see a stronger transversely defocusing force than without images. The result is that the transmission decreases by as much as 10% which is considerably more than determined by other (inexact) routines before. This is an important result, because knowing about the big effect of image charges on the electrodes it allows it to taken into account while designing the RFQ to increase the performance of the machine. It is also an important factor in resolving the traditional difference observed between the transmission of actual RFQs and the transmission predicted by earlier simulations. In the last chapter of this thesis some experimental work on the MAFF (Munich Accelerator for Fission Fragments) IH-RFQ is described. The machine was assembled in Frankfurt and a beam test stand was built. The shunt impedance of the structure was measured using different techniques, the output energy of the structure were measured and finally its transmission was determined and compared to the beam dynamics simulations of the RFQ. Unfortunately, the transmission measurements were done without exact knowledge of the beam’s emittance. So the comparison to the simulation is somewhat rough, but with a reasonable guess of the emittance a good comparison between the measurement and simulation was obtained.
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Direct photons in heavy ion collisions
(2010)
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Björn Bäuchle
- Direct photon emission from heavy-ion collisions has been calculated and compared to available experimental data. Three different models have been combined to extract direct photons from different environments in a heavy-ion collision: Thermal photons from partonic and hadronic matter have been extracted from relativistic, non-viscous 3+1-dimensional hydrodynamic calculations. Thermal and non-thermal photons from hadronic interactions have been calculated from relativistic transport theory. The impact of different physics assumptions about the thermalized matter has been studied. In pure transport calculations, a viscous hadron gas is present. This is juxtaposed with ideal gases of hadrons with vacuum properties, hadrons which undergo a chiral and deconfinement phase transition and with a system that has a strong first-order phase transition to a deconfined ideal gas of quarks and gluons in the hybrid model calculations with the various Equations of State. The models used for the determination of photons from both hydrodynamic and transport calculations have been elucidated and their numerical properties tested. The origin of direct photons, itemised by emission stage, emission time, channel and baryon number density, has been investigated for various systems, as have the transverse momentum spectra and elliptic flow patterns of direct photons. The differences of photon emission rates from a thermalized transport box and the hadronic photon emission rates that are used in hydrodynamic calculations are found to be very similar, as are the spectra from calculations of heavy-ion collisions with transport model and hybrid model with hadronic Equation of State. Taking into account the full (vacuum) spectral function of the rho-meson decreases the direct photon emission by approximately 10% at low photon transverse momentum. The numerical investigations show that the parameter with the largest impact on the direct photon spectra is the time at which the hydrodynamic description is started. Its variation shows deviations of one to two orders of magnitude. In the regime that can be considered physical, however, the variation is less than a factor of 3. Other parameters change the direct photon yield by up to approximately 20%. In all systems that have been considered -- heavy-ion collisions at E_lab = 35 AGeV and 158 AGeV, (s_NN)**1/2 = 62.4 GeV, 130 GeV and 200 GeV -- thermal emission from a system with partonic degrees of freedom is greatly enhanced over that from hadronic systems, while the difference between the direct photon yields from a viscous and a non-viscous hadronic system (transport vs. hydrodynamics) is found to be very small. Predictions for direct photon emission in central U+U-collisions at 35 AGeV have been made. Since non-soft photon sources are very much suppressed at this energy, experimental results should very easily be able to distinguish between a medium that is entirely hadronic and a system that undergoes a phase transition from partonic to hadronic matter. In the case of lead-lead collisions at 158 AGeV, the situation is not so clear. In central collisions, the complete direct photon spectra including prompt photons seem to favour hadronic emission sources, while the partonic calculations only slightly overpredict the data. In peripheral collisions at the same energy, the hadronic contribution is more than one order of magnitude smaller than the prompt photon contribution, which fits the available experimental data. A similar picture presents itself at higher energies. At RHIC energies, however, the difference between transport calculations and hadronic hybrid model calculations is largest. Hybrid model calculations with partonic degrees of freedom can describe the experimental results in gold-gold collisions at 200 GeV. The elliptic flow component of direct photon emission is found to be consistently positive at small transverse momenta. This means that the initial photon emission from a non-flowing medium does not completely overshine the emission patterns from later stages. High-pt photons dominantly come from the beginning of a heavy-ion collision and therefore do not carry the directed information of an evolving medium.
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A gauge-invariant reorganization of thermal gauge theory
(2010)
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Nan Su
- This dissertation is devoted to the study of thermodynamics for quantum gauge theories.The poor convergence of quantum field theory at finite temperature has been the main obstacle in the practical applications of thermal QCD for decades. In this dissertation I apply hard-thermal-loop perturbation theory, which is a gauge-invariant reorganization of the conventional perturbative expansion for quantum gauge theories to the thermodynamics of QED and Yang-Mills theory to three-loop order. For the Abelian case, I present a calculation of the free energy of a hot gas of electrons and photons by expanding in a power series in mD/T, mf /T and e2, where mD and mf are the photon and electron thermal masses, respectively, and e is the coupling constant.I demonstrate that the hard-thermal-loop perturbation reorganization improves the convergence of the successive approximations to the QED free energy at large coupling, e ~ 2. For the non-Abelian case, I present a calculation of the free energy of a hot gas of gluons by expanding in a power series in mD/T and g2, where mD is the gluon thermal mass and g is the coupling constant. I show that at three-loop order hard-thermal-loop perturbation theory is compatible with lattice results for the pressure, energy density, and entropy down to temperatures T ~ 2 - 3 Tc. The results suggest that HTLpt provides a systematic framework that can be used to calculate static and dynamic quantities for temperatures relevant at LHC.
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Magnetic characteristics of metal organic low-dimensional quantum spin systems at low temperatures
(2010)
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Katarina Removic-Langer
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Über die Beziehung der begrifflichen Grundlagen der Quantentheorie und der Allgemeinen Relativitätstheorie
(2010)
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Martin Kober
- In der vorliegenden Dissertation wird die Frage der Vereinheitlichung der Quantentheorie mit der Allgemeinen Relativitätstheorie behandelt, wobei entsprechend dem Titel der Arbeit der Beziehung der Grundbegriffe der beiden Theorien die entscheidende Bedeutung zukommt. Da das Nachdenken über Grundbegriffe in der Physik sehr eng mit philosophischen Fragen verbunden ist, werden zur Behandlung dieser Thematik zunächst in einem Kapitel, das die vier jeweils drei Kapitel umfassenden Teile vorbereitet, die Entwicklung der Theoretischen Physik betreffende wissenschaftstheoretische Betrachtungen sowie einige wesentliche Gedanken aus der Klassischen Philosophie vorgestellt, welche für die weitere Argumentation wichtig sind. Bei letzteren geht es neben einer kurzen Schilderung der Platonischen Ideenlehre in Bezug auf ihre Relevanz für die Physik insbesondere um die Kantische Auffassung von Raum und Zeit als a priori gegebenen Grundformen der Anschauung, deren Bezug zur Evolutionären Erkenntnistheorie ebenfalls thematisiert wird. In den beiden ersten Teilen werden die wesentlichen Inhalte der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantentheorie vorgestellt, wobei der Deutung der beiden Theorien jeweils ein Kapitel gewidmet wird. In Bezug auf die Allgemeine Relativitätstheorie wird diesbezüglich die Bedeutung der Diffeomorphismeninvarianz herausgestellt und in Bezug auf die Quantentheorie wird zunächst die Grundposition der Kopenhagener Deutung verdeutlicht, die im Mindesten als eine notwendige Bedingung zum Verständnis der Quantentheorie angesehen wird, um anschließend eine Analyse und Interpretation des Messproblems und vor allem entscheidende Argumente für die grundlegende Nichtlokalität der Quantentheorie zu geben. Im dritten Teil der Arbeit wird die seitens Carl Friedrich von Weizsäcker in der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts entwickelte Quantentheorie der Ur-Alternativen beschrieben, in welcher die universelle Gültigkeit der allgemeinen Quantentheorie begründet und aus ihr die Existenz der in der Natur vorkommenden Entitäten hergeleitet werden soll, auf deren Beschreibung die konkrete Theoretische Physik basiert. Es werden sehr starke Argumente dafür geliefert, dass diese Theorie von den bislang entwickelten Ansätzen zu einer einheitlichen Theorie der Natur, welche die heute bekannte Physik in sich enthält, die vielleicht aussichtsreichste Theorie darstellt und damit die Aussicht bietet, auch für das Problem der Suche nach einer Quantentheorie der Gravitation den richtigen begrifflichen Rahmen zu bilden. Ihre große Glaubwürdigkeit erhält sie durch eine die Klassische Philosophie miteinbeziehende philosophische Analyse der Quantentheorie. Dieses Urteil behält seine Gültigkeit auch dann, wenn die Quantentheorie der Ur-Alternativen aufgrund der ungeheuren Abstraktheit der Begriffsbildung innerhalb der Theorie und der sich hieraus ergebenden mathematischen Schwierigkeiten bisher noch nicht zu einer vollen physikalischen Theorie entwickelt werden konnte. Die alles entscheidende Kernaussage dieser Dissertation besteht darin, dass aus einer begrifflichen Analyse der Quantentheorie und der Allgemeinen Relativitätstheorie mit nahezu zwingender Notwendigkeit zu folgen scheint, dass die physikalische Realität auf fundamentaler Ebene nicht-räumlich ist. Dies bedeutet, dass die These vertreten wird, dass es sich bei dem physikalische Raum, wie er gewöhnlich schlicht vorausgesetzt wird, wenn auch in unterschiedlicher Struktur, in Wahrheit nur um eine Darstellung dahinterstehender dynamischer Verhältnisse nicht-räumlicher Objekte handelt. Diese These stützt sich auf die Diffeomorphismeninvarianz in der Allgemeinen Relativitätstheorie und in noch höherem Maße auf die Nichtlokalität in der Quantentheorie, welche sich wiederum nicht nur in konkreten für die Quantentheorie konstitutiven Phänomenen, sondern dazu parallel ebenso im mathematischen Formalismus der Quantentheorie manifestiert. In Kombination mit der Kantischen Behandlung von Raum und Zeit ergibt sich damit ein kohärentes Bild in Bezug auf die eigentliche Natur des Raumes. Die Quantentheorie der Ur-Alternativen ist diesbezüglich als einzige derzeit existierende Theorie konsequent, indem sie auf der basalen Ebene den Raumbegriff nicht voraussetzt und rein quantentheoretische Objekte als fundamental annimmt, aus deren Zustandsräumen sie die Struktur der Raum-Zeit allerdings zu begründen in der Lage ist. Damit befinden sich diese fundamentalen durch Ur-Alternativen beschriebenen Objekte nicht in einem vorgegebenen Raum, sondern sie konstituieren umgekehrt den Raum. Dies ist eine Tatsache von sehr großer Bedeutung. Im vierten Teil wird schließlich die vorläufige Konsequenz aus diesen Einsichten gezogen. Nach einer kurzen Behandlung der wichtigsten bisherigen Ansätze zu einer quantentheoretischen Beschreibung der Gravitation, wird die Bedeutung der Tatsache, dass die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie eine relationalistische Raumanschauung nahelegen, nun konkret in Bezug auf die Frage der Vereinheitlichung der beiden Theorien betrachtet. Das bedeutet, dass das Ziel also letztlich darin besteht, einen Ansatz zu einer quantentheoretischen Beschreibung der Gravitation zu finden, bei der so wenig räumliche Struktur wie möglich vorausgesetzt wird. In Kapitel 12 wird diesbezüglich ein von mir entwickelter Ansatz vorgestellt, um zumindest eine Theorie zu formulieren, bei der die metrische Struktur der Raum-Zeit nicht vorausgesetzt sondern in Anlehnung an die Eigenschaften eines fundamentalen Spinorfeldes konstruiert wird, das im Sinne der Heisenbergschen einheitlichen Quantenfeldtheorie die Elementarteilchen einheitlich beschreiben soll. Dieser Ansatz geht bezüglich der Sparsamkeit der Verwendung von a priori vorhandener räumlicher Struktur über die bisherigen Ansätze zu einer Quantentheorie der Gravitation hinaus. Er ist aber dennoch nur als ein erster Schritt zu verstehen. Die konsequente Weiterführung dieses Ansatzes würde in dem Versuch bestehen, eine Verbindung zur von Weizsäckerschen Quantentheorie der Ur-Alternativen herzustellen, die überhaupt keine räumliche Struktur mehr voraussetzt. Hierzu konnten bisher nur aussichtsreiche Grundgedanken formuliert werden. Es wird allerdings basierend auf den in dieser Dissertation dargelegten Argumentationen die Vermutung aufgestellt, dass es im Rahmen der von Weizsäckerschen Quantentheorie der Ur-Alternativen möglich ist, eine konsistente quantentheoretische Beschreibung der Gravitation aufzustellen. In jedem Falle scheint die Quantentheorie der Ur-Alternativen die einzige Theorie zu sein, die aufgrund ihrer rein quantentheoretischen Natur in ihrer Begriffsbildung grundsätzlich genug ist, um eine Aussicht zu bieten, diejenige Realitätsebene zu erfassen, in welcher die Dualität zwischen der Quantentheorie und der Allgemeinen Relativitätstheorie zu einer Einheit gelangt.
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Simulationsrechnungen zur Untersuchung molekularer Mechanismen in P-Typ-ATPasen
(2010)
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Christian Weidemüller
- Die P-Typ-ATPasen finden sich in allen Domänen des Lebens und stellen die größte Gruppe aktiver Ionentransporter in Zellen dar. Es handelt sich bei den P-Typ-ATPasen um integrale Membranproteine, die eine große Anzahl verschiedenster Ionen aktiv über eine biologische Membran transportieren. Die für diesen Ionentransport notwendige Energie wird durch Bindung und Hydrolyse von Adenosintriphosphat (ATP) und durch Phosphorylierung des Enzyms gewonnen. Diese, im cytoplasmatischen Teil gewonnene Energie, muss für den Ionentransport von der Phosphorylierungsstelle zur räumlich entfernten transmembranen Ionenbindungsstelle übertragen werden, bei dem das Protein einem Reaktionszyklus mit zwei Hauptkonformationszuständen E1 und E2 unterliegt. Zwischen diesen beiden Zuständen finden große strukturelle Änderungen statt, durch die die Ionenaffintät und die Zugänglichkeit der Ionenbindungsstelle reguliert wird. Da dieser Mechanismus der Energiegewinnung für alle Ionenpumpen dieser Art ähnlich ist, wurde die Ca2+-ATPase und die Na+/K+-ATPase als Modellproteine für die Untersuchung molekularer Mechanismen in P-Typ-ATPasen ausgewählt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit soll die Energietransduktion in P-Typ-ATPasen im Allgemeinen und der Protonengegentransport bzw. ein potentieller Protonentransportweg in der Ca2+-ATPase im Speziellen untersucht werden. Die beiden oben genannten Mechanismen sollen mittels computergestützter Methoden analysiert werden. Vor allem die Ca2+-ATPase ist prädestiniert für computergestützte Untersuchungen, da für diese sehr viele hochaufgelöste Röntgenstrukturdaten vorliegen, wenn auch bisher aufgrund der Größe und Komplexität des Systems nur sehr wenige theoretische Arbeiten durchgeführt wurden. Um den Energietransduktionsmechanismus in P-Typ-ATPasen zu untersuchen, wurde mittels Elektrostatik-Rechnungen der Einfluss eines elektrischen Feldes auf die verschiedenen Transmembranhelices untersucht. Dazu wurde ein Simulationssystem entwickelt, welches aus einem molekularen Kondensator besteht, der im Modell das Anlegen eines homogenen elektrischen Feldes über den Transmembranbereich simuliert. Da es sich bei dem Energietransduktionsmechanismus um einen dynamischen Prozess handelt, wurden die Elektrostatik-Rechnungen um Molekulardynamik-Simulationen erweitert. Mit diesen kann die konformelle Dynamik der P-Typ-ATPasen während der Energietransduktion in die Elektrostatik-Rechnungen einbezogen werden. Aus Spannungsklemmen-Fluorometrie-Experimenten, bei denen eine Spannung über eine Membran angelegt wird, kann geschlossen werden, dass die Helix M5 für die Energietransduktion verantwortlich ist. Mit den in dieser Arbeit durchgeführten Elektrostatik-Rechnungen konnte für verschiedene Enzymzustände der Ca2+-ATPase und für die Na+/K+-ATPase gezeigt werden, dass die Helix M5 die größten Konformeränderungen aufgrund des elektrischen Feldes aufweist. Durch die Erweiterung der Elektrostatik-Rechnungen um die Methode der Molekulardynamik-Simulation konnte zusätzlich die elektrische Feldstärke reduziert werden. Auch dabei zeigte sich, dass auf der Helix M5 die meisten Rotameränderungen durch das elektrische Feld induziert werden. Die aus Experimenten vermutete Rolle der Helix M5 als wichtiges Energietransduktionselement ließ sich mit diesen Simulationsrechnungen bestätigen. Um einen möglichen Protonenweg durch den Transmembranbereich der Ca2+-ATPase aufzuklären, wurden explizite Wassermoleküle in sechs verschiedene Enzymzustände der Ca2+-ATPase eingefügt. Aus Experimenten ist bekannt, dass in der Ca2+-ATPase ein Protonengegentransport stattfindet. Deshalb wurden für verschiedene Enzymzustände der Ca2+-ATPase mittels Elektrostatik-Rechnungen die Protonierungen der eingefügten Wassermoleküle sowie der titrierbaren Aminosäuren bestimmt. Aus den Ergebnissen dieser Rechnungen kann geschlossen werden, dass es sich bei dem Protonentransfer nicht um einen linearen Transport der Protonen handelt. Die Untersuchungen zeigen einen mehrstufigen Prozess, an dem Protonen in verschiedenen Transmembranbereichen der Ca2+-ATPase beteiligt sind. Anhand der berechneten Protonierungszustände der eingefügten Wassermoleküle und der pK-Werte der Aminosäuren im Transmembranbereich konnte weiterhin ein möglicher Protonenweg identifiziert werden.
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Neural network models of cognitive development in infancy
(2010)
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Arthur Franz
- This thesis investigates the development of early cognition in infancy using neural network models. Fundamental events in visual perception such as caused motion, occlusion, object permanence, tracking of moving objects behind occluders, object unity perception and sequence learning are modeled in a unifying computational framework while staying close to experimental data in developmental psychology of infancy. In the first project, the development of causality and occlusion perception in infancy is modeled using a simple, three-layered, recurrent network trained with error backpropagation to predict future inputs (Elman network). The model unifies two infant studies on causality and occlusion perception. Subsequently, in the second project, the established framework is extended to a larger prediction network that models the development of object unity, object permanence and occlusion perception in infancy. It is shown that these different phenomena can be unified into a single theoretical framework thereby explaining experimental data from 14 infant studies. The framework shows that these developmental phenomena can be explained by accurately representing and predicting statistical regularities in the visual environment. The models assume (1) different neuronal populations processing different motion directions of visual stimuli in the visual cortex of the newborn infant which are supported by neuroscientific evidence and (2) available learning algorithms that are guided by the goal of predicting future events. Specifically, the models demonstrate that no innate force notions, motion analysis modules, common motion detectors, specific perceptual rules or abilities to "reason" about entities which have been widely postulated in the developmental literature are necessary for the explanation of the discussed phenomena. Since the prediction of future events turned out to be fruitful for theoretical explanation of various developmental phenomena and a guideline for learning in infancy, the third model addresses the development of visual expectations themselves. A self-organising, fully recurrent neural network model that forms internal representations of input sequences and maps them onto eye movements is proposed. The reinforcement learning architecture (RLA) of the model learns to perform anticipatory eye movements as observed in a range of infant studies. The model suggests that the goal of maximizing the looking time at interesting stimuli guides infants' looking behavior thereby explaining the occurrence and development of anticipatory eye movements and reaction times. In contrast to classical neural network modelling approaches in the developmental literature, the model uses local learning rules and contains several biologically plausible elements like excitatory and inhibitory spiking neurons, spike-timing dependent plasticity (STDP), intrinsic plasticity (IP) and synaptic scaling. It is also novel from the technical point of view as it uses a dynamic recurrent reservoir shaped by various plasticity mechanisms and combines it with reinforcement learning. The model accounts for twelve experimental studies and predicts among others anticipatory behavior for arbitrary sequences and facilitated reacquisition of already learned sequences. All models emphasize the development of the perception of the discussed phenomena thereby addressing the questions of how and why this developmental change takes place - questions that are difficult to be assessed experimentally. Despite the diversity of the discussed phenomena all three projects rely on the same principle: the prediction of future events. This principle suggests that cognitive development in infancy may largely be guided by building internal models and representations of the visual environment and using those models to predict its future development.
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Unified description of vibronic transitions with coherent states
(2010)
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Joonsuk Huh
- Vibronic (vibrational-electronic) transition is one of the fundamental processes in molecular physics. Indeed, vibronic transition is essential both in radiative and nonradiative photophysical or photochemical properties of molecules such as absorption, emission, Raman scattering, circular dichroism, electron transfer, internal conversion, etc. A detailed understanding of these transitions in varying systems, especially for (large) biomolecules, is thus of particular interest. Describing vibronic transitions in polyatomic systems with hundreds of atoms is, however, a difficult task due to the large number of coupled degrees of freedom. Even within the relatively crude harmonic approximation, such as for Born-Oppenheimer harmonic potential energy surfaces, the brute-force evaluation of Franck-Condon intensity profiles in a time-independent sum-over-states approach is prohibitive for complex systems owing to the vast number of multi-dimensional Franck-Condon integrals. The main goal of this thesis is to describe a variety of molecular vibronic transitions, with special focus on the development of approaches that are applicable to extended molecular systems. We use various representations of Fermi’s golden rule in frequency, time and phase spaces via coherent states to reduce the computational complexity. Although each representation has benefits and shortcomings in its evaluation, they complement each other. Peak assignment of a spectrum can be made directly after calculation in the frequency domain but this sum-over-states route is usually slow. In contrast, computation is considerably faster in the time domain with Fourier transformation but the peak assignment is not directly available. The representation in phase space does not immediately provide physically-meaningful quantities but it can link frequency and time domains. This has been applied to, herein, for example (non-Condon) absorption spectra of benzene and electron transfer of bacteriochlorophyll in the photosynthetic reaction center at finite temperature. This work is a significant step in the treatment of vibronic structure, allowing for the accurate and efficient treatment of complex systems, and provides a new analysis tool for molecular science.
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Probing the QCD Phase Diagram with Compact Stars
(2010)
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Irina Sagert
- In this work we study compact stars, i.e. neutron stars, as cosmic laboratories for the nuclear matter. With a mass of around 1 - 3 solar masses and a radius of around 10km, compact stars are very dense and, besides nucleons, can contain exotic matter such as hyperons or quark matter. The KaoS collaboration studied nuclear matter for densities up to 2-3 times saturation density by analysing kaon multiplicities from Au+Au and C+C collisions. The results show that nuclear matter in the corresponding density region is very compressible, with a compressibility of <200MeV. For such soft nuclear equations of state the maximum masses of neutron stars are ca. 1.8 - 1.9 solar masses, whereas the central densities are higher than 5 times nuclear saturation density and therefore point towards a possible phase transition to quark matter. If quark matter would be present in the interior of neutron stars, so-called hybrid stars, it could be produced already during their birth in supernova explosions. To study this we implement a quark matter phase transition in a hadronic equation of state which is used in supernova simulations. Supernova simulations of low and intermediate mass progenitors and two different bag constants show a collapse of the proto neutron star due to the softening of the equations of state in the quark-hadron mixed phase. The stiffening of the equation of state for pure quark matter halts the collapse and leads to the production of a second shock wave. The second shock wave is energetic enough to lead to an explosion of the star and produces a neutrino burst when passing the neutrinospheres. Furthermore, first studies of the longtime cooling of hybrid stars show, that colour superconductivity can significantly influence the cooling behaviour of hybrid stars, if all quarks form Cooper Pairs. For the so-called CSL phase (colour-spin locking) with pairing energies of several MeV, the cooling of the quark phase is suppressed and the hybrid star appears as a pure hadronic star.
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Eine hochauflösende Methode zur Messung der transversalen Betatronfrequenz des SIS18 aus direkt digitalisierten Daten der Strahlpositionsmonitore
(2007)
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Udo Springer
- Die transversale Betatronbewegung eines Ionenstrahls, genannt Tune, stellt neben der Strahlposition die wichtigste zu messende Strahleigenschaft für den stabilen Betrieb eines Kreisbeschleunigers dar. Die Einstellung des Tunes auf einen Arbeitspunkt unterliegt engen Grenzen, da eine Vielzahl resonanter Störungen existiert, die die Teilchenbewegung beeinflussen und somit Emittanzvergrößerung und Strahlverlust hervorrufen. Den gemessenen Tune mit hoher Auflösung in Zeit und Frequenz während der gesamten Beschleunigungsphase auszugeben ermöglicht eine Justierung der ionenoptischen Elemente der Strahlführung. Dadurch läßt sich die Teilchenzahl bis zur theoretischen Raumladungsgrenze erhöhen und darüber hinaus Teilchenverluste minimieren. Die Messungen wurden an Positionssonden (BPM) des Schwerionensynchrotrons SIS18 der "GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH" mit zwei verschiedenen Meßsystemen durchgeführt, was einen Vergleich der Systemauflösungen ermöglicht. Das Direkt Digitalisierende Meßsystem (DDM) wandelt das BPM-Elektrodensignal direkt nach der Verstärkerkette mit einer Rate von 125 MSa/s in digitale Daten um. Der Strahlschwerpunkt eines jeden Einzelbunches wird daraus mittels digitaler Prozessierung berechnet und durch Fouriertransformation dessen Frequenzspektrum bestimmt. Man erhält den fraktionalen Tune dadurch direkt im Basisband. Das am CERN entwickelte und für Parameter des SIS18 adaptierte Direct Diode Detection - System (DDD) zeigt ebenfalls den Tune im Basisband. Um den zu bearbeitenden Frequenzbereich erheblich zu reduzieren, werden bei diesem Verfahren die Bunchpeakwerte, die die Strahlschwingung enthalten, über ein RC-Element analog verzögert ausgegeben. Der erhaltene Tune kann daraus mit hoher Auflösung digitalisiert werden. In der vorliegenden Dissertation werden die Meßaufbauten, die digitale Prozessierung der BPM-Daten mittels neuer Algorithmen sowie die Auswertung und Berechnung des Tunes gezeigt. Es werden typische Tuneverläufe diskutiert und ein Arbeitsbereich definiert, bei dem stabile Tunemessungen mit S/N von 30-50 dB ohne meßbare Vergrößerung der Strahlemittanz möglich sind. Die Auflösung der Tunemessung beträgt δqy = 3.50 · 10−4 und δqx = 7.97 · 10−4 für Anregungskickwinkel im Arbeitsbereich. Darüber hinaus werden physikalische Anwendungen des Systems diskutiert, indem verschiedene Einflüsse von ionenoptischen- und Strahlparametern auf den Tuneverlauf gezeigt und ausgewertet werden.
