Chiral properties of two-flavour QCD at zero and non-zero temperature

Lattice Quantum Chromodynamics (LQCD) is the preferred tool for obtaining non-perturbative results from QCD in the low-energy regime. It has by nowrnentered the era in which high precision calculations for a number of phenomenologically relevant observables at the physical point, with dynamical quark degrees of freedom and controlled systematics, become feasible. Despite these successes there are still quantities where control of systematic effects is insufficient. The subject of this thesis is the exploration of the potential of todays state-of-the-art simulation algorithms for non-perturbativelyrn$\mathcal{O}(a)$-improved Wilson fermions to produce reliable results in thernchiral regime and at the physical point both for zero and non-zero temperature. Important in this context is the control over the chiral extrapolation. Thisrnthesis is concerned with two particular topics, namely the computation of hadronic form factors at zero temperature, and the properties of the phaserntransition in the chiral limit of two-flavour QCD.rnrnThe electromagnetic iso-vector form factor of the pion provides a platform to study systematic effects and the chiral extrapolation for observables connected to the structure of mesons (and baryons). Mesonic form factors are computationally simpler than their baryonic counterparts but share most of the systematic effects. This thesis contains a comprehensive study of the form factor in the regime of low momentum transfer $q^2$, where the form factor is connected to the charge radius of the pion. A particular emphasis is on the region very close to $q^2=0$ which has not been explored so far, neither in experiment nor in LQCD. The results for the form factor close the gap between the smallest spacelike $q^2$-value available so far and $q^2=0$, and reach an unprecedented accuracy at full control over the main systematic effects. This enables the model-independent extraction of the pion charge radius. The results for the form factor and the charge radius are used to test chiral perturbation theory ($\chi$PT) and are thereby extrapolated to the physical point and the continuum. The final result in units of the hadronic radius $r_0$ is rn$$ \left\langle r_\pi^2 \right\rangle^{\rm phys}/r_0^2 = 1.87 \: \left(^{+12}_{-10}\right)\left(^{+\:4}_{-15}\right) \quad \textnormal{or} \quad \left\langle r_\pi^2 \right\rangle^{\rm phys} = 0.473 \: \left(^{+30}_{-26}\right)\left(^{+10}_{-38}\right)(10) \: \textnormal{fm} \;, $$rn which agrees well with the results from other measurements in LQCD and experiment. Note, that this is the first continuum extrapolated result for the charge radius from LQCD which has been extracted from measurements of the form factor in the region of small $q^2$.rnrnThe order of the phase transition in the chiral limit of two-flavour QCD and the associated transition temperature are the last unkown features of the phase diagram at zero chemical potential. The two possible scenarios are a second order transition in the $O(4)$-universality class or a first order transition. Since direct simulations in the chiral limit are not possible the transition can only be investigated by simulating at non-zero quark mass with a subsequent chiral extrapolation, guided by the universal scaling in the vicinity of the critical point. The thesis presents the setup and first results from a study on this topic. The study provides the ideal platform to test the potential and limits of todays simulation algorithms at finite temperature. The results from a first scan at a constant zero-temperature pion mass of about 290~MeV are promising, and it appears that simulations down to physical quark masses are feasible. Of particular relevance for the order of the chiral transition is the strength of the anomalous breaking of the $U_A(1)$ symmetry at the transition point. It can be studied by looking at the degeneracies of the correlation functions in scalar and pseudoscalar channels. For the temperature scan reported in this thesis the breaking is still pronounced in the transition region and the symmetry becomes effectively restored only above $1.16\:T_C$. The thesis also provides an extensive outline of research perspectives and includes a generalisation of the standard multi-histogram method to explicitly $\beta$-dependent fermion actions.

Implementierung der Laserionenquellenfalle LIST bei ISOLDE und Validierung der Spezifikationen Effizienz und Selektivität

Die Funktionsweise der Laserionenquellenfalle LIST, sowie deren Implementierung bei der Forschungseinrichtung ISOLDE am CERN als neue Standard-Ionenquelle und die ermittelten Spezifikationen Effizienz und Selektivität werden vorgestellt.rnrnDurch die Implementierung der LIST bei ISOLDE konnte on-line mit Hilfe von Radionukliden ein Minimalwert zur Unterdrückung von Kontaminationen durch die LIST bestimmt werden. Die erfolgreiche Unterdrückung von Francium-Kontamination ermöglichte es, neue Messdaten für den mittleren Ladungsradius und die Hyperfeinstruktur für Po-217 zu erzeugen.rnrnUm die Funktionalität der LIST bei ISOLDE hinsichtlich der Ionisationseffizienz gegenüber anderen Ionenquellen einzuordnen, wurden in Mainz am RISIKO-Massenseparator mit der bereits existierenden Standard-Ionenquelle RILIS und der LIST die Effizienzen bestimmt und miteinander verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass die LIST im Modus hoher Ionisationseffizienz eine vergleichbare Effizienz aufweist wie die RILIS. Im Modus zur Produktion eines hochreinen Ionenstrahls ist die Ionisationseffizienz gegenüber der RILIS reduziert.rnrnDa die Bestimmung der Selektivität im On-line-Betrieb aufwendig und zeitintensiv ist, wurde die Reinheit des Ionenstrahls am RISIKO-Massenseparator mittels Laufzeitmessungen der Ionen off-line bestimmt und analysiert. Die Zeitstrukturen der RILIS ermöglichen einerseits Rückschlüsse auf die Reinheit des Ionenstrahls zu ziehen, andererseits konnte auch die Ionisation außerhalb des Atomisators, in dem überwiegend die resonante Ionisation stattfindet, nachgewiesen werden. Durch diesen Nachweis kann der Effizienzverlust während der Produktion eines hochreinen Ionenstrahls erklärt werden. Zudem bietet er einen Ansatz für weitere Entwicklungsarbeiten der LIST zur Steigerung der Effizienz.rnrnEine Übertragung der Messergebnisse zur Zeitstruktur der RILIS auf die LIST eröffnet neue Möglichkeiten zur Steigerung deren Selektivität im massenselektiven Mode. Dieser wurde anhand von Simulationen überprüft und mit Messungen an Kalium experimentell quantifiziert.

The search for the neutron electric dipole moment

A permanent electric dipole moment of the neutron violates time reversal as well as parity symmetry. Thus it also violates the combination of charge conjugation and parity symmetry if the combination of all three symmetries is a symmetry of nature. The violation of these symmetries could help to explain the observed baryon content of the Universe. The prediction of the Standard Model of particle physics for the neutron electric dipole moment is only about 10e−32 ecm. At the same time the combined violation of charge conjugation and parity symmetry in the Standard Model is insufficient to explain the observed baryon asymmetry of the Universe. Several extensions to the Standard Model can explain the observed baryon asymmetry and also predict values for the neutron electric dipole moment just below the current best experimental limit of d n < 2.9e−26 ecm, (90% C.L.) that has been obtained by the Sussex-RAL-ILL collaboration in 2006. The very same experiment that set the current best limit on the electric dipole moment has been upgraded and moved to the Paul Scherrer Institute. Now an international collaboration is aiming at increasing the sensitivity for an electric dipole moment by more than an order of magnitude. This thesis took place in the frame of this experiment and went along with the commissioning of the experiment until first data taking. After a short layout of the theoretical background in chapter 1, the experiment with all subsystems and their performance are described in detail in chapter 2. To reach the goal sensitivity the control of systematic errors is as important as an increase in statistical sensitivity. Known systematic efects are described and evaluated in chapter 3. During about ten days in 2012, a first set of data was measured with the experiment at the Paul Scherrer Institute. An analysis of this data is presented in chapter 4, together with general tools developed for future analysis eforts. The result for the upper limit of an electric dipole moment of the neutron is |dn| ≤ 6.4e−25 ecm (95%C.L.). Chapter 5 presents investigations for a next generation experiment, to build electrodes made partly from insulating material. Among other advantages, such electrodes would reduce magnetic noise, generated by the thermal movement of charge carriers. The last Chapter summarizes this work and gives an outlook.

An accurate combined 3 He,Cs magnetometer with fT sensitivity for the nEDM experiment at PSI

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung, Konstruktion und Untersuchung eines Magnetometers zur exakten und präzisen Messung schwacher Magnetfelder. Diese Art von Magnetometer eignet sich zur Anwendung in physikalischen hochpräzisions Experimenten wie zum Beispiel der Suche nach dem elektrischen Dipolmomentrndes Neutrons. Die Messmethode beruht auf der gleichzeitigen Detektion der freien Spin Präzession Kern-Spin polarisierten 3He Gases durch mehrere optisch gepumpte Cäsium Magnetometer. Es wird gezeigt, dass Cäsium Magnetometer eine zuverlässige und vielseitige Methode zur Messung der 3He Larmor Frequenz und eine komfortable Alternative zur Benutzung von SQUIDs für diesen Zweck darstellen. Ein Prototyp dieses Magnetometers wurde gebaut und seine Funktion in der magnetisch abgeschirmten Messkabine der Physikalisch Technischen Bundesanstalt untersucht. Die Sensitivität des Magnetometers in Abhängigkeitrnvon der Messdauer wurde experimentell untersucht. Es wird gezeigt, dass für kurze Messperioden (< 500s) Cramér-Rao limitierte Messungen möglich sind während die Sensitivität bei längeren Messungen durch die Stabilität des angelegten Magnetfeldes limitiert ist. Messungen eines 1 muT Magnetfeldes mit einer relative Genauigkeit von besser als 5x10^(-8) in 100s werden präsentiert. Es wird gezeigt, dass die Messgenauigkeit des Magnetometers durch die Zahl der zur Detektion der 3He Spin Präzession eingesetzten Cäsium Magnetometer skaliert werden kann. Prinzipiell ist dadurch eine Anpassung der Messgenauigkeit an jegliche experimentellen Bedürfnisse möglich. Es wird eine gradiometrische Messmethode vorgestellt, die es erlaubt den Einfluss periodischerrnmagnetischer Störungen auf dieMessung zu unterdrücken. Der Zusammenhang zwischen der Sensitivität des kombinierten Magnetometers und den Betriebsparametern der Cäsium Magnetometer die zur Spin Detektion verwendet werden wird theoretisch untersucht und anwendungsspezifische Vor- und Nachteile verschiedener Betriebsartenwerden diskutiert. Diese Zusammenhänge werden in einer Formel zusammengefasst die es erlaubt, die erwartete Sensitivität des Magnetometers zu berechnen. Diese Vorhersagen befinden sich in perfekter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Die intrinsische Sensitivität des Magnetometer Prototyps wird auf Basis dieser Formel theoretisch bestimmt. Ausserdem wird die erwartete Sensitivität für die Anwendung im Rahmen des Experiments der nächsten Generation zur Bestimmung des elektrischenrnDipolmoments des Neutrons am Paul Scherrer Institut abgeschätzt. Des weiteren wird eine bequeme experimentelle Methode zur Messung des Polarisationsgrades und des Rabi Flip-Winkels der 3He Kernspin Polarisation vorgestellt. Letztere Messung ist sehr wichtig für die Anwendung in hochpräzisions Experimenten.