Interacting fermionic atoms in optical lattices - A quantum simulator for condensed matter physics

This thesis reports on the creation and analysis of many-body states of interacting fermionic atoms in optical lattices. The realized system can be described by the Fermi-Hubbard hamiltonian, which is an important model for correlated electrons in modern condensed matter physics. In this way, ultra-cold atoms can be utilized as a quantum simulator to study solid state phenomena. The use of a Feshbach resonance in combination with a blue-detuned optical lattice and a red-detuned dipole trap enables an independent control over all relevant parameters in the many-body hamiltonian. By measuring the in-situ density distribution and doublon fraction it has been possible to identify both metallic and insulating phases in the repulsive Hubbard model, including the experimental observation of the fermionic Mott insulator. In the attractive case, the appearance of strong correlations has been detected via an anomalous expansion of the cloud that is caused by the formation of non-condensed pairs. By monitoring the in-situ density distribution of initially localized atoms during the free expansion in a homogeneous optical lattice, a strong influence of interactions on the out-of-equilibrium dynamics within the Hubbard model has been found. The reported experiments pave the way for future studies on magnetic order and fermionic superfluidity in a clean and well-controlled experimental system.

Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. rn

Quantum Einstein gravity - advancements of heat kernel-based renormalization group studies

The asymptotic safety scenario allows to define a consistent theory of quantized gravity within the framework of quantum field theory. The central conjecture of this scenario is the existence of a non-Gaussian fixed point of the theory's renormalization group flow, that allows to formulate renormalization conditions that render the theory fully predictive. Investigations of this possibility use an exact functional renormalization group equation as a primary non-perturbative tool. This equation implements Wilsonian renormalization group transformations, and is demonstrated to represent a reformulation of the functional integral approach to quantum field theory.rnAs its main result, this thesis develops an algebraic algorithm which allows to systematically construct the renormalization group flow of gauge theories as well as gravity in arbitrary expansion schemes. In particular, it uses off-diagonal heat kernel techniques to efficiently handle the non-minimal differential operators which appear due to gauge symmetries. The central virtue of the algorithm is that no additional simplifications need to be employed, opening the possibility for more systematic investigations of the emergence of non-perturbative phenomena. As a by-product several novel results on the heat kernel expansion of the Laplace operator acting on general gauge bundles are obtained.rnThe constructed algorithm is used to re-derive the renormalization group flow of gravity in the Einstein-Hilbert truncation, showing the manifest background independence of the results. The well-studied Einstein-Hilbert case is further advanced by taking the effect of a running ghost field renormalization on the gravitational coupling constants into account. A detailed numerical analysis reveals a further stabilization of the found non-Gaussian fixed point.rnFinally, the proposed algorithm is applied to the case of higher derivative gravity including all curvature squared interactions. This establishes an improvement of existing computations, taking the independent running of the Euler topological term into account. Known perturbative results are reproduced in this case from the renormalization group equation, identifying however a unique non-Gaussian fixed point.rn

Production of antihydrogen via double charge exchange

Spectroscopy of the 1S-2S transition of antihydrogen confined in a neutral atom trap and comparison with the equivalent spectral line in hydrogen will provide an accurate test of CPT symmetry and the first one in a mixed baryon-lepton system. Also, with neutral antihydrogen atoms, the gravitational interaction between matter and antimatter can be tested unperturbed by the much stronger Coulomb forces.rnAntihydrogen is regularly produced at CERN's Antiproton Decelerator by three-body-recombination (TBR) of one antiproton and two positrons. The method requires injecting antiprotons into a cloud of positrons, which raises the average temperature of the antihydrogen atoms produced way above the typical 0.5 K trap depths of neutral atom traps. Therefore only very few antihydrogen atoms can be confined at a time. Precision measurements, like laser spectroscopy, will greatly benefit from larger numbers of simultaneously trapped antihydrogen atoms.rnTherefore, the ATRAP collaboration developed a different production method that has the potential to create much larger numbers of cold, trappable antihydrogen atoms. Positrons and antiprotons are stored and cooled in a Penning trap in close proximity. Laser excited cesium atoms collide with the positrons, forming Rydberg positronium, a bound state of an electron and a positron. The positronium atoms are no longer confined by the electric potentials of the Penning trap and some drift into the neighboring cloud of antiprotons where, in a second charge exchange collision, they form antihydrogen. The antiprotons remain at rest during the entire process, so much larger numbers of trappable antihydrogen atoms can be produced. Laser excitation is necessary to increase the efficiency of the process since the cross sections for charge-exchange collisions scale with the fourth power of the principal quantum number n.rnThis method, named double charge-exchange, was demonstrated by ATRAP in 2004. Since then, ATRAP constructed a new combined Penning Ioffe trap and a new laser system. The goal of this thesis was to implement the double charge-exchange method in this new apparatus and increase the number of antihydrogen atoms produced.rnCompared to our previous experiment, we could raise the numbers of positronium and antihydrogen atoms produced by two orders of magnitude. Most of this gain is due to the larger positron and antiproton plasmas available by now, but we could also achieve significant improvements in the efficiencies of the individual steps. We therefore showed that the double charge-exchange can produce comparable numbers of antihydrogen as the TBR method, but the fraction of cold, trappable atoms is expected to be much higher. Therefore this work is an important step towards precision measurements with trapped antihydrogen atoms.

Probing quantum chromodynamics with the ATLAS detector : charged-particle event shape variables and the dijet cross-section

Die Quantenchromodynamik ist die zugrundeliegende Theorie der starken Wechselwirkung und kann in zwei Bereiche aufgeteilt werden. Harte Streuprozesse, wie zum Beispiel die Zwei-Jet-Produktion bei hohen invarianten Massen, können störungstheoretisch behandelt und berechnet werden. Bei Streuprozessen mit niedrigen Impulsüberträgen hingegen ist die Störungstheorie nicht mehr anwendbar und phänemenologische Modelle werden für Vorhersagen benutzt. Das ATLAS Experiment am Large Hadron Collider am CERN ermöglicht es, QCD Prozesse bei hohen sowie niedrigen Impulsüberträgen zu untersuchen. In dieser Arbeit werden zwei Analysen vorgestellt, die jeweils ihren Schwerpunkt auf einen der beiden Regime der QCD legen:rnDie Messung von Ereignisformvariablen bei inelastischen Proton--Proton Ereignissen bei einer Schwerpunktsenergie von $sqrt{s} = unit{7}{TeV}$ misst den transversalen Energiefluss in hadronischen Ereignissen. rnDie Messung des zweifachdifferentiellen Zwei-Jet-Wirkungsquerschnittes als Funktion der invarianten Masse sowie der Rapiditätsdifferenz der beiden Jets mit den höchsten Transversalimpulsen kann genutzt werden um Theorievorhersagen zu überprüfen. Proton--Proton Kollisionen bei $sqrt{s} = unit{8}{TeV}$, welche während der Datennahme im Jahr 2012 aufgezeichnet wurden, entsprechend einer integrierten Luminosität von $unit{20.3}{fb^{-1}}$, wurden analysiert.rn