Interacting bosons and fermions in three-dimensional optical lattice potentials

This thesis reports on the realization, characterization and analysis of ultracold bosonic and fermionic atoms in three-dimensional optical lattice potentials. Ultracold quantum gases in optical lattices can be regarded as ideal model systems to investigate quantum many-body physics. In this work interacting ensembles of bosonic 87Rb and fermionic 40K atoms are employed to study equilibrium phases and nonequilibrium dynamics. The investigations are enabled by a versatile experimental setup, whose core feature is a blue-detuned optical lattice that is combined with Feshbach resonances and a red-detuned dipole trap to allow for independent control of tunneling, interactions and external confinement. The Fermi-Hubbard model, which plays a central role in the theoretical description of strongly correlated electrons, is experimentally realized by loading interacting fermionic spin mixtures into the optical lattice. Using phase-contrast imaging the in-situ size of the atomic density distribution is measured, which allows to extract the global compressibility of the many-body state as a function of interaction and external confinement. Thereby, metallic and insulating phases are clearly identified. At strongly repulsive interaction, a vanishing compressibility and suppression of doubly occupied lattice sites signal the emergence of a fermionic Mott insulator. In a second series of experiments interaction effects in bosonic lattice quantum gases are analyzed. Typically, interactions between microscopic particles are described as two-body interactions. As such they are also contained in the single-band Bose-Hubbard model. However, our measurements demonstrate the presence of multi-body interactions that effectively emerge via virtual transitions of atoms to higher lattice bands. These findings are enabled by the development of a novel atom optical measurement technique: In quantum phase revival spectroscopy periodic collapse and revival dynamics of the bosonic matter wave field are induced. The frequencies of the dynamics are directly related to the on-site interaction energies of atomic Fock states and can be read out with high precision. The third part of this work deals with mixtures of bosons and fermions in optical lattices, in which the interspecies interactions are accurately controlled by means of a Feshbach resonance. Studies of the equilibrium phases show that the bosonic superfluid to Mott insulator transition is shifted towards lower lattice depths when bosons and fermions interact attractively. This observation is further analyzed by applying quantum phase revival spectroscopy to few-body systems consisting of a single fermion and a coherent bosonic field on individual lattice sites. In addition to the direct measurement of Bose-Fermi interaction energies, Bose-Bose interactions are proven to be modified by the presence of a fermion. This renormalization of bosonic interaction energies can explain the shift of the Mott insulator transition. The experiments of this thesis lay important foundations for future studies of quantum magnetism with fermionic spin mixtures as well as for the realization of complex quantum phases with Bose-Fermi mixtures. They furthermore point towards physics that reaches beyond the single-band Hubbard model.

Suche nach Endzuständen mit zwei Leptonen und fehlender transversaler Energie in pp-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 1.96 TeV

In der vorliegenden Arbeit wurden Daten aus Proton-Antiproton-Kollisionen analysiert, die im Zeitraum von April 2002 bis März 2004 mit dem DO-Detektor bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s) = 1.96 TeV am Tevatron-Beschleuniger am Fermi National Accelerator Laboratory aufgezeichnet wurden. Je nach Analyse entsprechen die verwendeten Datensätze integrierten Luminositäten von 158-252 pb^-1. Die Ereignisse wurden auf die Existenz von Higgs-Bosonen und Charginos und Neutralinos untersucht. Außerdem wurde eine Messung des Wirkungsquerschnittes der Paarproduktion von W-Bosonen durchgeführt. Für die Suchen nach Higgs-Bosonen wurden leptonische Endzustände mit zwei Elektronen bzw. einem Elektron und einem Myon untersucht, wie sie bei Zerfällen von Higgs-Bosonen über zwei W-Bosonen erwartet werden. Wegen des momentan zur Verfügung stehenden geringen Datensatzes ist nur möglich, die Daten auf die Existenz von Higgs-Bosonen zu untersuchen, wie sie innerhalb alternativer Modelle vorhergesagt werden. Aufgrund größerer Produktionswirkungsquerschnitte werden die Higgs-Bosonen mit erhöhter Rate erzeugt und werden somit schon bei niedrigen integrierten Luminositäten zugänglich. Bei der durchgeführten Analyse wurde eine gute Übereinstimmung der beobachteten Ereignisse mit der Erwartung aus Prozessen des Standardmodells gefunden. Da keine Evidenz für die Existenz von Higgs-Bosonen beobachtet wurde, wurden die Ergebnisse verwendet, um mit einem Vertrauensniveau von 95% eine obere Grenze auf den Produktionswirkungsquerschnitt multipliziert mit dem Verzweigungsverhältnis anzugeben. Durch eine Kombination der ee-, emu- und mumu-Endzustände erhält man eine obere Grenze zwischen 5.7 und 40.3 pb im Higgs-Massenbereich von 100-200 GeV. Die Ergebnisse zeigen, daß auch der hier verwendete Datensatz noch zu klein ist, um auch Higgs-Bosonen im Rahmen der alternativen Modelle zu entdecken bzw. auszuschließen. Um die assoziierte Produktion von Charginos und Neutralinos nachzuweisen, wurden ebenfalls Endzustände mit einem Elektron und einem Myon untersucht. Zur Verbesserung der Sensitivität wurde eine Kombination mit Analysen in ee- und mumu-Endzuständen durchgeführt. Da auch hier eine gute Konsistenz mit der Erwartung der Untergrundprozesse innerhalb des Standardmodells gefunden wurde, wurden ebenso obere Grenzen auf den Produktionswirkungsquerschnitt multipliziert mit dem Verzweigungsverhältnis gesetzt. Die Ergebnisse werden im Rahmen des mSUGRA-Modells interpretiert. Es ergeben sich obere Grenzen zwischen 0.46 und 0.63 pb für Charginomassen im Bereich von 97 GeV bis 114 GeV. Dies stellt eine deutliche Verbesserung der bei früheren Messungen bei DO erhaltenen Ausschlußgrenzen dar. Allerdings ist es wiederum aufgrund des geringen Datensatzes nicht möglich, Punkte im mSUGRA-Parameterraum oberhalb der bei LEP gefundenen Grenzen auszuschließen. Die Ergebnisse können auch verwendet werden, um allgemeinere SUSY-Modelle einzuschränken, die ebenfalls entsprechende Beziehungen zwischen den Chargino- und Neutralino-Massen erfüllen. Den Hauptuntergrund bei diesen Suchen stellt die Paarproduktion von W-Bosonen dar. Es wurde zum ersten Mal im Rahmen des DO-Experimentes eine Messung des Wirkungsquerschnittes der W-Paarproduktion mit einer Signifikanz von mehr als 3 sigma durchgeführt. Es wird eine gute Übereinstimmung mit der Next-to-leading-order-Vorhersage der Theorie gefunden. Kombiniert man die ee-, emu- und mumu-Endzustände, ergibt sich ein Wirkungsquerschnitt von sigma(WW) = 13.35+4.65-3.99(stat) +0.77-1.05(syst) +-0.87(Lum) pb.

Suche nach einem leichten Higgs-Boson im Kanal WH ev e bb in pp-Kollisionen bei s=1.96 TeV am DO-Detektor des Tevatron

Eine wichtige Komponente des Standardmodells der Teilchenphysik bildet der Higgs-Mechanismus, der benötigt wird um den vom Standardmodell beschriebenen Teilchen Masse zu verleihen. Dieser Mechanismus beinhaltet jedoch ein weiteres schweres Elementarteilchen das bislang noch nich beobachtet werden konnte. Die Suche nach diesem Teilchen ist eines Hauptziele der derzeitigen Forschung an Teilchenbeschleunigern. Diese Arbeit untersucht die vom D0-Detektor am Tevatron des Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) aufgezeichneten Daten von ppbar-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt{s}=1.96 TeV, um im Kanal WH -> enu bb nach einem leichten Higgs-Boson zu suchen. Darüber hinaus wird der Produktionswirkungsquerschnitt der Wbb-Produktion ermittelt. Für die Analyse stand eine integrierte Luminosität von L=255pb^{-1} zur Verfügung. Zur Selektion dieser Prozesse, werden Ereignisse ausgewählt, die Elektronen und fehlenden Transversalimpuls enthalten, sowie mindestens zwei Jets, die sich als b-Jets identifizieren lassen. Um eine effiziente Selektion zu erhalten, wurden Schnitte auf verschiedene Kenngrößen entwickelt, getestet und optimiert. Aus den selektierten Ereignissen wird der Wbb-Wirkungsquerschnitt ermittelt, der für Ereignisse angegeben wird, in denen die b-Quarks p_T>8 GeV und |eta|<3 erfüllen. Der unter Berücksichtigung des Verzweigungsverhältnisses BR(W->enu)=0.108 errechnete Wert ist sigma(Wbb)=21.8 pb (+15.5; -20.0 pb(sys+stat)). Wegen der geringen Signifikanz der Messung von etwa 1.2sigma wurden die Ereigniszahlen auch zur Berechnung einer oberen Grenze auf den Wirkungsquerschnitt verwendet, die sich bei einem Konfidenzniveau von 95% zu sigma^95(Wbb)=60.9pb ergibt. Ebenso wurden Grenzen auf den WH-Produktionswirkungsquerschnitt ermittelt. Dafür wurde die statistische Methode von Feldman und Cousins angewandt, nachdem sie nach den Vorschlägen von Conrad et al. erweitert worden war, um systematische Unsicherheiten zu berücksichtigen. Für ein Standardmodell Higgs-Boson der Masse 115 GeV kann eine obere Grenze auf den Produktionswirkungsquerschnitt von sigma^{95} (WH)=12.2pb angegeben werden. Für höhere Massen bis 135 GeV werden ähnliche Grenzen ermittelt.

Bestimmung der fehlenden transversalen Energie auf der ersten Triggerstufe beim ATLAS-Experiment und Optimierung der Triggerselektion von supersymmetrischen Ereignissen

Das Standardmodell der Teilchenphysik, das drei der vier fundamentalen Wechselwirkungen beschreibt, stimmt bisher sehr gut mit den Messergebnissen der Experimente am CERN, dem Fermilab und anderen Forschungseinrichtungen überein. rnAllerdings können im Rahmen dieses Modells nicht alle Fragen der Teilchenphysik beantwortet werden. So lässt sich z.B. die vierte fundamentale Kraft, die Gravitation, nicht in das Standardmodell einbauen.rnDarüber hinaus hat das Standardmodell auch keinen Kandidaten für dunkle Materie, die nach kosmologischen Messungen etwa 25 % unseres Universum ausmacht.rnAls eine der vielversprechendsten Lösungen für diese offenen Fragen wird die Supersymmetrie angesehen, die eine Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen einführt. rnAus diesem Modell ergeben sich sogenannte supersymmetrische Teilchen, denen jeweils ein Standardmodell-Teilchen als Partner zugeordnet sind.rnEin mögliches Modell dieser Symmetrie ist das R-Paritätserhaltende mSUGRA-Modell, falls Supersymmetrie in der Natur realisiert ist.rnIn diesem Modell ist das leichteste supersymmetrische Teilchen (LSP) neutral und schwach wechselwirkend, sodass es nicht direkt im Detektor nachgewiesen werden kann, sondern indirekt über die vom LSP fortgetragene Energie, die fehlende transversale Energie (etmiss), nachgewiesen werden muss.rnrnDas ATLAS-Experiment wird 2010 mit Hilfe des pp-Beschleunigers LHC mit einer Schwerpunktenergie von sqrt(s)=7-10 TeV mit einer Luminosität von 10^32 #/(cm^2*s) mit der Suche nach neuer Physik starten.rnDurch die sehr hohe Datenrate, resultierend aus den etwa 10^8 Auslesekanälen des ATLAS-Detektors bei einer Bunchcrossingrate von 40 MHz, wird ein Triggersystem benötigt, um die zu speichernde Datenmenge zu reduzieren.rnDabei muss ein Kompromiss zwischen der verfügbaren Triggerrate und einer sehr hohen Triggereffizienz für die interessanten Ereignisse geschlossen werden, da etwa nur jedes 10^8-te Ereignisse für die Suche nach neuer Physik interessant ist.rnZur Erfüllung der Anforderungen an das Triggersystem wird im Experiment ein dreistufiges System verwendet, bei dem auf der ersten Triggerstufe mit Abstand die höchste Datenreduktion stattfindet.rnrnIm Rahmen dieser Arbeit rn%, die vollständig auf Monte-Carlo-Simulationen basiert, rnist zum einen ein wesentlicher Beitrag zum grundlegenden Verständnis der Eigenschaft der fehlenden transversalen Energie auf der ersten Triggerstufe geleistet worden.rnZum anderen werden Methoden vorgestellt, mit denen es möglich ist, die etmiss-Triggereffizienz für Standardmodellprozesse und mögliche mSUGRA-Szenarien aus Daten zu bestimmen. rnBei der Optimierung der etmiss-Triggerschwellen für die erste Triggerstufe ist die Triggerrate bei einer Luminosität von 10^33 #/(cm^2*s) auf 100 Hz festgelegt worden.rnFür die Triggeroptimierung wurden verschiedene Simulationen benötigt, bei denen eigene Entwicklungsarbeit eingeflossen ist.rnMit Hilfe dieser Simulationen und den entwickelten Optimierungsalgorithmen wird gezeigt, dass trotz der niedrigen Triggerrate das Entdeckungspotential (für eine Signalsignifikanz von mindestens 5 sigma) durch Kombinationen der etmiss-Schwelle mit Lepton bzw. Jet-Triggerschwellen gegenüber dem bestehenden ATLAS-Triggermenü auf der ersten Triggerstufe um bis zu 66 % erhöht wird.

Suche nach dem Higgs-Boson im Zerfallskanal H WW eny e myny my mit dem D0-Detektor

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Suche nach dem Higgs-Boson.rn Dazu wurden die Daten des D0-Experimentes am Fermi National rn Accelerator Laboratory analysiert. Diese stammen ausrn Proton-Antiproton-Kollisionen, welche vom Tevatron-Beschleuniger beirn einer Schwerpunktsenergie von sqrt(s)=1.96 TeV erzeugtrn wurden. Der Datensatz umfasst mit einer integrierten Luminosität vonrn 9.7 fb^-1 den vollen RunII, welcher von April 2002 bisrn September 2011 aufgezeichnet wurde. Die Suche wurde für dreirn unterschiedliche Modelle durchgeführt: Das Standardmodell, einrn fermiophobes Higgs-Modell und ein Modell mit einer viertenrn Fermiongeneration. Zusätzlich wurde der Wirkungsquerschnitt derrn nicht resonanten WW-Produktion gemessen.rnrn Dazu wurden Daten mit einem Elektron, einem Myon und fehlenderrn Transversalenergie im Endzustand untersucht. Dieser Endzustand wirdrn beim Zerfall eines Higgs-Bosons in zwei W-Bosonen mit anschließendemrn Zerfall in ein Elektron, ein Myon und zwei Neutrinos erwartet undrn weist die größte Sensitivität für die Suche am Tevatron auf.rnrn Weder für das Standardmodell noch für die erweiterten Modelle konntern ein Hinweis auf ein Higgs-Signal gefunden werden. Deshalb wurdenrn obere Grenzen auf den Produktionswirkungsquerschnitt für diern einzelnen Modelle bestimmt. Die oberen Grenzen für Higgs-Bosonen imrn Rahmen des Standardmodells reichen von 28*sigma_SM für einrn Higgs-Boson mit einer Masse von 100 GeV bis zu einemrn Ausschluss des Standardmodell-Higgs-Bosons im Bereich zwischen 160rn und 167 GeV mit 95% Vertrauensniveau. Damit ist der inrn dieser Arbeit beschriebene Kanal der einzige Kanal amrn D0-Experiment, welcher eine ausreichend hohe Sensitivität erreicht,rn um allein ein Higgs-Boson im hohen Massenbereich auszuschließen. Fürrn ein Higgs-Boson mit 125 GeV Masse sind die Ergebnisse sowohlrn mit der Signal+Untergrund- als auch mit der Untergrund-Hypothesern kompatibel. rn Im Rahmen des fermiophoben Higgs-Modells wurden oberen Grenzenrn zwischen 2*sigma_FHM und 4*sigma_FHM imrn Massenbereich zwischen 100 und 170 GeV bestimmt. Für diern betrachteten Modelle mit einer vierten Fermiongeneration konnte einrn Higgs-Boson in einem weiten Massenbereich zwischen 135 undrn 220 GeV mit 95% Vertrauensniveau ausgeschlossen werden.rnrn Die Messung des Wirkungsquerschnitts der nicht-resonantenrn WW-Produktion ist die genaueste Messung fürrn sqrt(s)=1.96 TeV. Der gemessene Wirkungsquerschnitt beträgtrn sigma_ppbar->WW^em=11.1 +- 0.6 (stat.) +- 0.6 (syst.) pbrn und bestätigt damit die theoretische NLO-Vorhersage im Rahmen ihrerrn Unsicherheiten.rn