Untersuchungen zur Strahldynamik am Harmonischen Doppelseitigen Mikrotron von MAMI-C

Das Institut f��r Kernphysik der Universit��t Mainz betreibt seit 1990 eine weltweit einzigartige Beschleunigeranlage f��r kern- und teilchenphysikalische Experimente ��� das Mainzer Mikrotron (MAMI-B). Diese Beschleunigerkaskade besteht aus drei Rennbahn-Mikrotrons (RTMs) mit Hochfrequenzlinearbeschleunigern bei 2.45 GHz, mit denen ein quasi kontinuierlicher Elektronenstrahl von bis zu 100 ��A auf 855MeV beschleunigt werden kann.rnrnIm Jahr 1999 wurde die Umsetzung der letzten Ausbaustufe ��� ein Harmonisches Doppelseitiges Mikrotron (HDSM, MAMI-C) ��� mit einer Endenergie von 1.5 GeV begonnen. Die Planung erforderte einige mutige Schritte, z.B. Umlenkmagnete mit Feldgradient und ihren daraus resultierenden strahloptischen Eigenschaften, die einen gro��en Einfluss auf die Longitudinaldynamik des Beschleunigers haben. Dies erforderte die Einf��hrung der ���harmonischen��� Betriebsweise mit zwei Frequenzen der zwei Linearbeschleuniger.rnrnViele Maschinenparameter (wie z.B. HF-Amplituden oder -Phasen) wirken direkt auf den Beschleunigungsprozess ein, ihre physikalischen Gr����en sind indes nicht immer auf einfache Weise messtechnisch zug��nglich. Bei einem RTM mit einer verh��ltnism����ig einfachen und wohldefinierten Strahldynamik ist das im Routinebetrieb unproblematisch, beim HDSM hingegen ist schon allein wegen der gr����eren Zahl an Parametern die Kenntnis der physikalischen Gr����en von deutlich gr����erer Bedeutung. Es gelang im Rahmen dieser Arbeit, geeignete Methoden der Strahldiagnose zu entwickeln, mit denen diese Maschinenparameter ��berpr��ft und mit den Planungsvorgaben verglichen werden k��nnen.rnrnDa die Anpassung des Maschinenmodells an eine einzelne Phasenmessung aufgrund der unvermeidlichen Messfehler nicht immer eindeutige Ergebnisse liefert, wird eine Form der Tomographie verwendet. Der longitudinale Phasenraum wird dann in Form einer Akzeptanzmessung untersucht. Anschlie��end kann ein erweitertes Modell an die gewonnene Datenvielfalt angepasst werden, wodurch eine gr����ere Signifikanz der Modellparameter erreicht wird.rnrnDie Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, dass sich der Beschleuniger als Gesamtsystem im Wesentlichen wie vorhergesagt verh��lt und eine gro��e Zahl unterschiedlicher Konfigurationen zum Strahlbetrieb m��glich sind ��� im Routinebetrieb wird dies jedoch vermieden und eine bew��hrte Konfiguration f��r die meisten Situationen eingesetzt. Das f��hrt zu einer guten Reproduzierbarkeit z.B. der Endenergie oder des Spinpolarisationswinkels an den Experimentierpl��tzen.rnrnDie Erkenntnisse aus diesen Untersuchungen wurden teilweise automatisiert, so dass nun den Operateuren zus��tzliche und hilfreiche Diagnose zur Verf��gung steht, mit denen der Maschinenbetrieb noch zuverl��ssiger durchgef��hrt werden kann.

Untersuchung der Ladung des Neutrons

Die Quantisierung der elektrischen Ladung ist eine der gr����ten Fragestellungen der Physik, die bis heute nicht verstanden ist. Im Standardmodell der Teilchenphysik ist sie beispielsweise nicht mathematisch inh��rent erkl��rbar. Dadurch w��re es m��glich, dass das Neutron eine winzige Ladung tragen kann. In dieser Arbeit wurde eine Apparatur auf Grundlage eines Vorg��ngerexperiments entwickelt, mit der eine Untersuchung der Ladung des Neutrons mit h��chster Pr��zision durchgef��hrt werden kann. Dabei werden ultrakalte Neutronen in einem optischen System einem elektrischen Feld zwischen zwei Elektrodenplatten ausgesetzt. In der ersten Ladungsmessung mit dieser Apparatur konnte eine statistische Sensitivit��t von ��q���2,4���10�������� e/���d erreicht werden. Diese Sensitivit��t ist die h��chste, die bisher mit ultrakalten Neutronen f��r eine Ladungsmessung erreicht werden konnte. In dieser Arbeit wurde das Konzept des Vorg��ngerexperiments grundlegend ��berarbeitet, um die Sensitivit��t der Apparatur zu erh��hen. Es wurden detaillierte Untersuchungen der Systematik der Apparatur durchgef��hrt und das theoretische Potential der Sensitivit��t von derzeit ��q���10������� e/���d ermittelt. Mit dieser Apparatur wurde der Grundstein f��r die Messung einer neuen niedrigeren oberen Grenze der elektrischen Ladung des Neutrons gelegt. In n��chster Zeit kann dadurch eine niedrigere obere Grenze f��r die Ladung des Neutrons von q���10������� e erzielt werden.

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, k��nnen st��rungstheoretisch behandelt und berechnet werden. Bei Streuprozessen mit niedrigen Impuls��bertr��gen hingegen ist die St��rungstheorie nicht mehr anwendbar und ph��nemenologische Modelle werden f��r Vorhersagen benutzt. Das ATLAS Experiment am Large Hadron Collider am CERN erm��glicht es, QCD Prozesse bei hohen sowie niedrigen Impuls��bertr��gen 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 Rapidit��tsdifferenz der beiden Jets mit den h��chsten Transversalimpulsen kann genutzt werden um Theorievorhersagen zu ��berpr��fen. Proton--Proton Kollisionen bei $sqrt{s} = unit{8}{TeV}$, welche w��hrend der Datennahme im Jahr 2012 aufgezeichnet wurden, entsprechend einer integrierten Luminosit��t von $unit{20.3}{fb^{-1}}$, wurden analysiert.rn

Simulations of physics and chemistry of polar stratospheric clouds with a general circulation model

A polar stratospheric cloud submodel has been developed and incorporated in a general circulation model including atmospheric chemistry (ECHAM5/MESSy). The formation and sedimentation of polar stratospheric cloud (PSC) particles can thus be simulated as well as heterogeneous chemical reactions that take place on the PSC particles. For solid PSC particle sedimentation, the need for a tailor-made algorithm has been elucidated. A sedimentation scheme based on first order approximations of vertical mixing ratio profiles has been developed. It produces relatively little numerical diffusion and can deal well with divergent or convergent sedimentation velocity fields. For the determination of solid PSC particle sizes, an efficient algorithm has been adapted. It assumes a monodisperse radii distribution and thermodynamic equilibrium between the gas phase and the solid particle phase. This scheme, though relatively simple, is shown to produce particle number densities and radii within the observed range. The combined effects of the representations of sedimentation and solid PSC particles on vertical H2O and HNO3 redistribution are investigated in a series of tests. The formation of solid PSC particles, especially of those consisting of nitric acid trihydrate, has been discussed extensively in recent years. Three particle formation schemes in accordance with the most widely used approaches have been identified and implemented. For the evaluation of PSC occurrence a new data set with unprecedented spatial and temporal coverage was available. A quantitative method for the comparison of simulation results and observations is developed and applied. It reveals that the relative PSC sighting frequency can be reproduced well with the PSC submodel whereas the detailed modelling of PSC events is beyond the scope of coarse global scale models. In addition to the development and evaluation of new PSC submodel components, parts of existing simulation programs have been improved, e.g. a method for the assimilation of meteorological analysis data in the general circulation model, the liquid PSC particle composition scheme, and the calculation of heterogeneous reaction rate coefficients. The interplay of these model components is demonstrated in a simulation of stratospheric chemistry with the coupled general circulation model. Tests against recent satellite data show that the model successfully reproduces the Antarctic ozone hole.

Mixed finite-element methods for elliptic convection-dominated problems arising in semiconductor physics

In this work we develop and analyze an adaptive numerical scheme for simulating a class of macroscopic semiconductor models. At first the numerical modelling of semiconductors is reviewed in order to classify the Energy-Transport models for semiconductors that are later simulated in 2D. In this class of models the flow of charged particles, that are negatively charged electrons and so-called holes, which are quasi-particles of positive charge, as well as their energy distributions are described by a coupled system of nonlinear partial differential equations. A considerable difficulty in simulating these convection-dominated equations is posed by the nonlinear coupling as well as due to the fact that the local phenomena such as "hot electron effects" are only partially assessable through the given data. The primary variables that are used in the simulations are the particle density and the particle energy density. The user of these simulations is mostly interested in the current flow through parts of the domain boundary - the contacts. The numerical method considered here utilizes mixed finite-elements as trial functions for the discrete solution. The continuous discretization of the normal fluxes is the most important property of this discretization from the users perspective. It will be proven that under certain assumptions on the triangulation the particle density remains positive in the iterative solution algorithm. Connected to this result an a priori error estimate for the discrete solution of linear convection-diffusion equations is derived. The local charge transport phenomena will be resolved by an adaptive algorithm, which is based on a posteriori error estimators. At that stage a comparison of different estimations is performed. Additionally a method to effectively estimate the error in local quantities derived from the solution, so-called "functional outputs", is developed by transferring the dual weighted residual method to mixed finite elements. For a model problem we present how this method can deliver promising results even when standard error estimator fail completely to reduce the error in an iterative mesh refinement process.

Effect of mixing, particle interaction, and spatial dimension on the glass transition

In this thesis, the influence of composition changes on the glass transition behavior of binary liquids in two and three spatial dimensions (2D/3D) is studied in the framework of mode-coupling theory (MCT).The well-established MCT equations are generalized to isotropic and homogeneous multicomponent liquids in arbitrary spatial dimensions. Furthermore, a new method is introduced which allows a fast and precise determination of special properties of glass transition lines. The new equations are then applied to the following model systems: binary mixtures of hard disks/spheres in 2D/3D, binary mixtures of dipolar point particles in 2D, and binary mixtures of dipolar hard disks in 2D. Some general features of the glass transition lines are also discussed. The direct comparison of the binary hard disk/sphere models in 2D/3D shows similar qualitative behavior. Particularly, for binary mixtures of hard disks in 2D the same four so-called mixing effects are identified as have been found before by G��tze and Voigtmann for binary hard spheres in 3D [Phys. Rev. E 67, 021502 (2003)]. For instance, depending on the size disparity, adding a second component to a one-component liquid may lead to a stabilization of either the liquid or the glassy state. The MCT results for the 2D system are on a qualitative level in agreement with available computer simulation data. Furthermore, the glass transition diagram found for binary hard disks in 2D strongly resembles the corresponding random close packing diagram. Concerning dipolar systems, it is demonstrated that the experimental system of K��nig et al. [Eur. Phys. J. E 18, 287 (2005)] is well described by binary point dipoles in 2D through a comparison between the experimental partial structure factors and those from computer simulations. For such mixtures of point particles it is demonstrated that MCT predicts always a plasticization effect, i.e. a stabilization of the liquid state due to mixing, in contrast to binary hard disks in 2D or binary hard spheres in 3D. It is demonstrated that the predicted plasticization effect is in qualitative agreement with experimental results. Finally, a glass transition diagram for binary mixtures of dipolar hard disks in 2D is calculated. These results demonstrate that at higher packing fractions there is a competition between the mixing effects occurring for binary hard disks in 2D and those for binary point dipoles in 2D.

Production of Z bosons in proton-proton collisions at root out s = 10 TeV: Expectations for early measurements at the ATLAS experiment

The production of the Z boson in proton-proton collisions at the LHC serves as a standard candle at the ATLAS experiment during early data-taking. The decay of the Z into an electron-positron pair gives a clean signature in the detector that allows for calibration and performance studies. The cross-section of ~ 1 nb allows first LHC measurements of parton density functions. In this thesis, simulations of 10 TeV collisions at the ATLAS detector are studied. The challenges for an experimental measurement of the cross-section with an integrated luminositiy of 100 pb���1 are discussed. In preparation for the cross-section determination, the single-electron efficiencies are determined via a simulation based method and in a test of a data-driven ansatz. The two methods show a very good agreement and differ by ~ 3% at most. The ingredients of an inclusive and a differential Z production cross-section measurement at ATLAS are discussed and their possible contributions to systematic uncertainties are presented. For a combined sample of signal and background the expected uncertainty on the inclusive cross-section for an integrated luminosity of 100 pb���1 is determined to 1.5% (stat) +/- 4.2% (syst) +/- 10% (lumi). The possibilities for single-differential cross-section measurements in rapidity and transverse momentum of the Z boson, which are important quantities because of the impact on parton density functions and the capability to check for non-pertubative effects in pQCD, are outlined. The issues of an efficiency correction based on electron efficiencies as function of the electron���s transverse momentum and pseudorapidity are studied. A possible alternative is demonstrated by expanding the two-dimensional efficiencies with the additional dimension of the invariant mass of the two leptons of the Z decay.

Messung der Charmonium-Produktion und Energiekalibration f��r Elektronen mit dem Atlas-Experiment

Der Wirkungsquerschnitt der Charmoniumproduktion wurde unter Nutzung der Daten aus pp-Kollisionen bei s^{1/2}=7TeV, die im Jahr 2010 vom Atlas-Experiment am LHC aufgezeichnet wurden, gemessen. Um das notwendige Detektorverst��ndnis zu verbessern, wurde eine Energiekalibration durchgef��hrt.rnrnrnUnter Nutzung von Elektronen aus Zerf��llen des Charmoniums wurde die Energieskala der elektromagnetischen Kalorimeter bei niedrigen Energien untersucht. Nach Anwendung der Kalibration wurden f��r die Energiemessung im Vergleich mit in Monte-Carlo-Simulationen gemessenen Energien Abweichungen von weniger als 0,5% gefunden.rnrnrnMit einer integrierten Luminosit��t von 2,2pb^{-1} wurde eine erste Messung des inklusiven Wirkungsquerschnittes f��r den Prozess pp->J/psi(e^{+}e^{-})+X bei s^{1/2}=7TeV vorgenommen. Das geschah im zug��nglichen Bereich f��r Transversalimpulse p_{T,ee}>7GeV und Rapidit��ten |y_{ee}|<2,4. Es wurden differentielle Wirkungsquerschnitte f��r den Transversalimpuls p_{T,ee} und f��r die Rapidit��t |y_{ee}| bestimmt. Integration beider Verteilungen lieferte f��r den inklusiven Wirkungsquerschnitt sigma(pp-> J/psi X)BR(J/psi->e^{+}e^{-}) die Werte (85,1+/-1,9_{stat}+/-11,2_{syst}+/-2,9_{Lum})nb und (75,4+/-1,6_{stat}+/-11,9_{syst}+/-2,6_{Lum})nb, die innerhalb der Systematik kompatibel sind.rnrnrnVergleiche mit Messungen von Atlas und CMS f��r den Prozess pp->J/psi(mu^{+}mu^{-})+X zeigten gute ��bereinstimmung. Zum Vergleich mit der Theorie wurden Vorhersagen mit verschiedenen Modellen in n��chst-zu-f��hrender und mit Anteilen in n��chst-zu-n��chst-zu-f��hrender Ordnung kombiniert. Der Vergleich zeigt eine gute ��bereinstimmung bei Ber��cksichtigung von Anteilen in n��chst-zu-n��chst-zu-f��hrender Ordnung.

Supersymmetry searches in the single lepton final state with the ATLAS detector

This thesis presents an analysis for the search of Supersymmetry with the ATLAS detector at the LHC. The final state with one lepton, several coloured particles and large missing transverse energy was chosen. Particular emphasis was placed on the optimization of the requirements for lepton identification. This optimization showed to be particularly useful when combining with multi-lepton selections. The systematic error associated with the higher order QCD diagrams in Monte Carlo production is given particular focus. Methods to verify and correct the energy measurement of hadronic showers are developed. Methods for the identification and removal of mismeasurements caused by the detector are found in the single muon and four jet environment are applied. A new detector simulation system is shown to provide good prospects for future fast Monte Carlo production. The analysis was performed for $35pb^{-1}$ and no significant deviation from the Standard Model is seen. Exclusion limits subchannel for minimal Supergravity. Previous limits set by Tevatron and LEP are extended.

Supersymmetry searches in dilepton final states with the ATLAS experiment

One of the main goals of the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN in Geneva is the search for new physics beyond the Standard Model. In 2011, proton-proton collisions were performed at the LHC at a center of mass energy of 7 TeV and an integrated luminosity of 4.7 fb^{-1} was recorded. This dataset can be tested for one of the most promising theories beyond limits achieved thus far: supersymmetry. Final states in supersymmetry events at the LHC contain highly energetic jets and sizeable missing transverse energy. The additional requirement of events with highly energetic leptons simplifies the control of the backgrounds. This work presents results of a search for supersymmetry in the inclusive dilepton channel. Special emphasis is put on the search within the Gauge-Mediated Symmetry Breaking (GMSB) scenario in which the supersymmetry breaking is mediated via gauge fields. Statistically independent Control Regionsrnfor the dominant Standard Model backgrounds as well as Signal Regions for a discovery of a possible supersymmetry signal are defined and optimized. A simultaneous fit of the background normalizations in the Control Regions via the profile likelihood method allows for a precise prediction of the backgrounds in the Signal Regions and thus increases the sensitivity to several supersymmetry models. Systematic uncertainties on the background prediction are constrained via the jet multiplicity distribution in the Control Regions driven by data. The observed data are consistent with the Standard Model expectation. New limits within the GMSB and the minimal Supergravity (mSUGRA) scenario as well as for several simplified supersymmetry models are set or extended.

Search for supersymmetry in final states with jets, missing transverse energy and one charged lepton with the ATLAS-experiment

Im Jahr 2011 wurde am Large Hadron Collider mit dem ATLAS Experiment ein Datensatz von 4.7 inversen Femtobarn bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV aufgezeichnet. Teil des umfangreichen Physikprogrammes des ATLAS Experiments ist die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells. Supersymmetrie - eine neue Symmetrie zwischen Bosonen und Fermionen - wird als aussichtsreichester Kandidat f��r neue Physik angesehen, und zahlreiche direkte und indirekte Suchen nach Supersymmetrie wurden in den letzten Jahrzehnten bereits durchgef��hrt. In der folgenden Arbeit wird eine direkte Suche nach Supersymmetrie in Endzust��nden mit Jets, fehlender Transversalenergie und genau einem Elektron oder Myon durchgef��hrt. Der analysierte Datensatz von 4.7 inversen Femtobarn umfasst die gesamte Datenmenge, welche am ATLAS Experiment bei einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV aufgezeichnet wurde. Die Ergebnisse der Analyse werden mit verschiedenen anderen leptonischen Suchkan��len kombiniert, um die Sensitivit��t auf diversen supersymmetrischen Produktions- und Zerfallsmodi zu maximieren. Die gemessenen Daten sind kompatibel mit der Standardmodellerwartung, und neue Ausschlussgrenzen in verschiedenen supersymmetrischen Modellen werden berechnet.