Nonlocal asymmetric exclusion process on a ring and conformal invariance

We present a one-dimensional nonlocal hopping model with exclusion on a ring. The model is related to the Raise and Peel growth model. A nonnegative parameter u controls the ratio of the local backwards and nonlocal forwards hopping rates. The phase diagram, and consequently the values of the current, depend on u and the density of particles. In the special case of half-lling and u = 1 the system is conformal invariant and an exact value of the current for any size L of the system is conjectured and checked for large lattice sizes in Monte Carlo simulations. For u > 1 the current has a non-analytic dependence on the density when the latter approaches the half-lling value.

Mode coupling for precise measurements of the electronic g-factor of hydrogen-like ions in Penning traps

The g-factor is a constant which connects the magnetic moment $vec{mu}$ of a charged particle, of charge q and mass m, with its angular momentum $vec{J}$. Thus, the magnetic moment can be writen $ vec{mu}_J=g_Jfrac{q}{2m}vec{J}$. The g-factor for a free particle of spin s=1/2 should take the value g=2. But due to quantum electro-dynamical effects it deviates from this value by a small amount, the so called g-factor anomaly $a_e$, which is of the order of $10^{-3}$ for the free electron. This deviation is even bigger if the electron is exposed to high electric fields. Therefore highly charged ions, where electric field strength gets values on the order of $10^{13}-10^{16}$V/cm at the position of the bound electron, are an interesting field of investigations to test QED-calculations. In previous experiments [H"aff00,Ver04] using a single hydrogen-like ion confined in a Penning trap an accuracy of few parts in $10^{-9}$ was obtained. In the present work a new method for precise measurement of magnetic the electronic g-factor of hydrogen-like ions is discussed. Due to the unavoidable magnetic field inhomogeneity in a Penning trap, a very important contribution to the systematic uncertainty in the previous measurements arose from the elevated energy of the ion required for the measurement of its motional frequencies. Then it was necessary to extrapolate the result to vanishing energies. In the new method the energy in the cyclotron degree of freedom is reduced to the minimum attainable energy. This method consist in measuring the reduced cyclotron frequency $nu_{+}$ indirectly by coupling the axial to the reduced cyclotron motion by irradiation of the radio frequency $nu_{coup}=nu_{+}-nu_{ax}+delta$ where $delta$ is, in principle, an unknown detuning that can be obtained from the knowledge of the coupling process. Then the only unknown parameter is the desired value of $nu_+$. As a test, a measurement with, for simplicity, artificially increased axial energy was performed yielding the result $g_{exp}=2.000~047~020~8(24)(44)$. This is in perfect agreement with both the theoretical result $g_{theo}=2.000~047~020~2(6)$ and the previous experimental result $g_{exp1}=2.000~047~025~4(15)(44).$ In the experimental results the second error-bar is due to the uncertainty in the accepted value for the electron's mass. Thus, with the new method a higher accuracy in the g-factor could lead by comparison to the theoretical value to an improved value of the electron's mass. [H"af00] H. H"affner et al., Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 5308 [Ver04] J. Verd'u et al., Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 093002-1

Astrophysikalische Bedingungen für einen r-Prozess im Hoch-Entropie-Wind von Typ II Supernovae

Sterne mit einer Anfangsmasse zwischen etwa 8 und 25 Sonnenmassen enden ihre Existenz mit einer gewaltigen Explosion, einer Typ II Supernova. Die hierbei entstehende Hoch-Entropie-Blase ist ein Bereich am Rande des sich bildenden Neutronensterns und gilt als möglicher Ort für den r-Prozess. Wegen der hohen Temperatur T innerhalb der Blase ist die Materie dort vollkommen photodesintegriert. Das Verhältnis von Neutronen zu Protonen wird durch die Elektronenhäufigkeit Ye beschrieben. Die thermodynamische Entwicklung des Systems wird durch die Entropie S gegeben. Da die Expansion der Blase schnell vonstatten geht, kann sie als adiabatisch betrachtet werden. Die Entropie S ist dann proportional zu T^3/rho, wobei rho die Dichte darstellt. Die explizite Zeitentwicklung von T und rho sowie die Prozessdauer hängen von Vexp, der Expansionsgeschwindigkeit der Blase, ab. Der erste Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit dem Prozess der Reaktionen mit geladenen Teilchen, dem alpha-Prozess. Dieser Prozess endet bei Temperaturen von etwa 3 mal 10^9 K, dem sogenannten "alpha-reichen" Freezeout, wobei überwiegend alpha-Teilchen, freie Neutronen sowie ein kleiner Anteil von mittelschweren "Saat"-Kernen im Massenbereich um A=100 gebildet werden. Das Verhältnis von freien Neutronen zu Saatkernen Yn/Yseed ist entscheidend für den möglichen Ablauf eines r-Prozesses. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem eigentlichen r-Prozess, der bei Neutronenanzahldichten von bis zu 10^27 Neutronen pro cm^3 stattfindet, und innerhalb von maximal 400 ms sehr neutronenreiche "Progenitor"-Isotope von Elementen bis zum Thorium und Uran bildet. Bei dem sich anschliessendem Ausfrieren der Neutroneneinfangreaktionen bei 10^9 K und 10^20 Neutronen pro cm^3 erfolgt dann der beta-Rückzerfall der ursprünglichen r-Prozesskerne zum Tal der Stabilität. Diese Nicht-Gleichgewichts-Phase wird in der vorliegenden Arbeit in einer Parameterstudie eingehend untersucht. Abschliessend werden astrophysikalische Bedingungen definiert, unter denen die gesamte Verteilung der solaren r-Prozess-Isotopenhäufigkeiten reproduziert werden können.

Moto di particelle cariche in campi elettromagnetici intensi

E stata risolta l'equazione d'onda per la radiazione elettromagnetica ed è stata trovata l'espressione (in forma di integrale) per un impulso monocromatico di frequenza angolare fissata e per un impulso di durata finita, imponendo che nello spazione dei vettori d'onda (k_x,k_y) l'impulso sia rappresentato da una funzione Gaussiana nella forma exp[-w_0^2(k_x^2+k_y^2)/4], dove w_0 rappresenta il waist trasverso. Per avere un'espressione analitica dell'impulso monocromatico e dell'impulso di durata finita si sono rese necessarie rispettivamente l'approssimazione parassiale e un'approssimazione di "fattorizzazione". Sono state analizzate, sia analiticamente sia numericamente, i limiti entro i quali queste approssimazioni possono essere considerate accurate. Le soluzioni esatte e le soluzioni approssimate sono state confrontate graficamente. Nel capitolo finale è stato analizzato il moto di una particella carica che interagisce con un pacchetto d'onda unidimensionale, mettendo in luce la fondamentale differenza tra il moto di questa particella nel vuoto e il moto della stessa in un plasma carico. Infatti, in accordo con il teorema di Lawson-Woodward, nel vuoto la particella non può essere accelerata per interazione diretta con il pacchetto d'onda, mentre nel plasma, a seguito del passaggio del pacchetto, la particella può aver acquistato energia.

Experimentelle Untersuchung von Phasenübergängen im kolloidalen Modellsystem harter Kugeln

Die vorliegende Arbeit behandelt den fluid-kristallinen Phasenübergang sowie den Glasübergang anhand von kolloidalen Hart-Kugel(HK)-Modellsystemen. Die Untersuchungen erfolgen dabei im Wesentlichen mit unterschiedlichen Lichtstreumethoden und daher im reziproken Raum. rnDie Analyse der Kristallisationskinetik zeigt, dass es bei der Kristallisation zu signifikanten Abweichungen vom Bild der klassischen Nukleationstheorie (CNT) kommt. Diese geht von einem einstufigen Nukleationsprozess aus, wohingegen bei den hier durchgeführten Experimenten ein mehrstufiger Prozess beobachtet wird. Vor der eigentlichen Kristallisation kommt es zunächst zur Nukleation einer metastabilen Zwischenphase, sogenannter Precursor. In einer zweiten Stufe erfolgt innerhalb der Precursor die eigentliche Nukleation der Kristallite. rnDurch weitere Analyse und den Vergleich des Kristallisations- und Verglasungsszenarios konnte das Konzept der Precursornukleation auf den Vorgang der Verglasung erweitert werden. Während die Kristallnukleation oberhalb des Glasübergangspunktes zum Erliegen kommt, bleibt der Prozess der Precursornukleation auch bei verglasenden Proben erhalten. Ein Glas erstarrt somit in einem amorphen Zustand mit lokalen Precursorstrukturen. Die Korrelation der gemessenen zeitlichen Entwicklung der strukturellen sowie der dynamischen Eigenschaften zeigt darüber hinaus, dass das bisher unverstandene Ageing-Phänomen von HK-Gläsern mit der Nukleation von Precursorn zusammenhängt.rnEin solches mehrstufiges Szenario wurde bereits in früheren Veröffentlichungen beobachtet. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Messungen ermöglichten erstmals die Bestimmung von Kristallnukleationsratendichten (Kristall-NRD) und Ratendichten für die Precursornukleation bis über den Glasübergangspunkt hinaus. Die Kristall-NRD bestätigen die Resultate aus anderen experimentellen Arbeiten. Die weiteren Analysen der Kristall-NRD belegen, dass die fluid-kristalline Grenzflächenspannung bei der Nukleation entgegen den Annahmen der CNT nicht konstant ist, sondern mit ansteigendem Volumenbruch linear zunimmt. Die Erweiterung der CNT um eine linear zunehmende Grenzflächenspannung ermöglichte eine quantitative Beschreibung der gemessenen Kristall- sowie der Precursor-NRD, was den Schluss zulässt, dass es sich in beiden Fällen um einen Boltzmann-aktivierten Prozess handelt. rnUm die beobachteten Abweichungen des Nukleationsprozesses vom Bild der CNT näher zu untersuchen, wurden die kollektiven Partikeldynamiken in stabilen Fluiden und metastabilen Schmelzen analysiert. Im klassischen Bild wird angenommen, dass die kollektive Partikeldynamik beim Vorgang der Nukleation keine Rolle spielt. Anhand der Resultate zeigen sich Abweichungen in der Dynamik stabiler Fluide und metastabiler Schmelzen. Während die kollektive Partikeldynamik in der stabilen Schmelze von der Struktur entkoppelt ist, tritt oberhalb des Phasenübergangspunktes eine Kopplung von Struktur und Dynamik auf. Dabei treten die Abweichungen zunächst in der Umgebung des ersten Strukturfaktormaximums und somit bei den am stärksten besetzten Moden auf. Mit steigender Unterkühlung nehmen die Anzahl der abweichenden Moden sowie die Stärke der Abweichungen zu. Dieses Phänomen könnte einen signifikanten Einfluss auf den Nukleationsprozess und somit auf die Kristallisationskinetik haben. Die Analyse der Dynamik im stabilen Fluid zeigt darüber hinaus Hinweise auf eine Singularität bei Annäherung an den fluid-kristallinen Phasenübergangspunkt.rnDes Weiteren wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals Ratendichten für die heterogene Nukleation eines HK-Systems an einer flachen Wand mittels statischer Lichtstreuung (SLS) bestimmt. Die Ergebnisse der Messung zeigen, dass die Nukleationsbarriere der heterogenen Nukleation annähernd Null ist und folglich eine vollständige Benetzung der Wand mit einer kristallinen Monolage vorliegt. Die Erweiterung der Untersuchungen auf gekrümmte Oberflächen in Form von sphärischen Partikeln (Seeds) stellt die erste experimentelle Arbeit dar, die den Einfluss eines Ensembles von Seeds auf die Kristallisationskinetik in HK-Systemen untersucht. Die Kristallisationskinetik und die Mikrostruktur werden abhängig von Größe und Anzahldichte der Seed-Partikel signifikant beeinflusst. In Übereinstimmung mit konfokalmikroskopischen Experimenten und Simulationen spielt dabei das Radienverhältnis der Majoritäts- zur Minoritätskomponente eine entscheidende Rolle.

Optische Experimente zur Untersuchung der Nichtgleichgewichtsdynamik kolloidaler Suspensionen

In der vorliegenden Forschungsarbeit wird die Konkurrenz von Kristallisation und Verglasung in metastabilen kolloidalen Hart-Kugel(HK)-Modellsystemen mit dynamischer und zeitaufgelöster statischer Lichtstreuung untersucht. Durch gleichzeitige Messungen mit beiden Methoden an derselben Probe gelang es, mit hoher Genauigkeit und aussagekräftiger Statistik nachzuweisen, dass in beiden Systemklassen eine starke Korrelation der strukturellen und dynamischen Eigenschaften vorliegt und diese Korrelation zu quantifizieren. Ein zentraler Teil der Arbeit bestand in dem Aufbau einer geeigneten Lichtstreuanlage mit der erstmalig Messungen der Dynamik und der Struktur simultan an derselben nicht-ergodischen Probe durchgeführt werden konnten. Für die dynamische Lichtstreuung wurde ein Flächendetektor (CCD-Kamera) verwendet. In Kombination mit einer speziellen Detektionsoptik ermöglicht dies, die gleichzeitige Detektion von Streulicht aus unterschiedlichen Probenbereichen (Subensembles). Damit kann gleichzeitig die Dynamik in unterschiedlichen Subensembles mit einer Auflösung von 15,8x15,8µm2 untersucht werden. Die Lichtstreuanlage wurde ausführlich charakterisiert und ihre korrekte Funktionsweise mithilfe von Vergleichsmessungen an etablierten Lichtstreuanlagen bestätigt. Die zeitliche Entwicklung der Dynamik und der Struktur von metastabilen Proben wurde unterhalb, am und oberhalb des Glasübergangs quantifiziert. Dabei zeigte das untersuchte kolloidale HK-Modellsystem alle typischen Eigenschaften eines HK-Systems. Die kristallisierenden Proben zeigten das etablierte zweistufige Kristallisationsszenario mit entsprechender Kristallisationskinetik und die Glasproben zeigten das erwartete Alterungsverhalten. Bei dem zweistufigen Kristallisationsszenario kommt es zuerst zur Nukleation einer metastabilen Zwischenphase von sogenannten Precursorn. In einer zweiten Stufe bilden sich Kristallite innerhalb dieser Precursor. Durch Vergleich zwischen kristallisierenden und verglasenden Proben konnte auch während der Verglasung die Bildung von Precursorn beobachtet werden. Die Korrelation zwischen der Anzahl an Precursorn und der Partikeldynamik legt die Vermutung nahe, dass das immer noch unverstandene Phänomen der Alterung von Gläsern mit der Bildung von Precursorn zusammenhängt. Verhinderte Kristallisation führt zu einer starken Verlangsamung der Partikeldynamik. Die Partikeldynamik einer Probe am Glasübergang zeigt, dass die Probe vor Einsetzen der Kristallisation eine glasartige Dynamik aufwies. Dies legt die Vermutung nahe, dass einkomponentige kolloidale HK-Gläser den Gleichgewichtszustand (Kristall) auf langen Zeitskalen erreichen können. Durch die Untersuchung der Partikeldynamik von metastabilen Proben in einzelnen Subensembles konnte eine heterogene Verteilung der Partikeldynamik nachgewiesen werden. Es existieren Bereiche, in denen die Partikeldynamik schneller oder langsamer ist als in anderen Bereichen. Gleichzeitig zeigen die Messungen der strukturellen Eigenschaften, dass metastabile Proben auch heterogen bezüglich ihrer Struktur sind. Mithilfe dieser Messungen konnte die zeitliche Entwicklung des Anteils an langsamen Partikeln und des Anteils an Partikeln innerhalb von Objekten höherer Ordnung (Precursor/Kristallite) bestimmt werden. Es zeigte sich eine direkte Korrelation zwischen dem Anteil an langsamen Partikeln und dem Anteil an Partikeln in Objekten höherer Ordnung. Die Untersuchung der Dynamik und der Struktur in einzelnen Subensembles lieferte einen weiteren Hinweis darauf, dass Subensembles, in denen eine stärker ausgeprägte strukturelle Ordnung vorliegt, auch bevorzugt eine langsamere Partikeldynamik aufweisen.

Monte Carlo source model for photon beam radiotherapy: photon source characteristics

A major barrier to widespread clinical implementation of Monte Carlo dose calculation is the difficulty in characterizing the radiation source within a generalized source model. This work aims to develop a generalized three-component source model (target, primary collimator, flattening filter) for 6- and 18-MV photon beams that match full phase-space data (PSD). Subsource by subsource comparison of dose distributions, using either source PSD or the source model as input, allows accurate source characterization and has the potential to ease the commissioning procedure, since it is possible to obtain information about which subsource needs to be tuned. This source model is unique in that, compared to previous source models, it retains additional correlations among PS variables, which improves accuracy at nonstandard source-to-surface distances (SSDs). In our study, three-dimensional (3D) dose calculations were performed for SSDs ranging from 50 to 200 cm and for field sizes from 1 x 1 to 30 x 30 cm2 as well as a 10 x 10 cm2 field 5 cm off axis in each direction. The 3D dose distributions, using either full PSD or the source model as input, were compared in terms of dose-difference and distance-to-agreement. With this model, over 99% of the voxels agreed within +/-1% or 1 mm for the target, within 2% or 2 mm for the primary collimator, and within +/-2.5% or 2 mm for the flattening filter in all cases studied. For the dose distributions, 99% of the dose voxels agreed within 1% or 1 mm when the combined source model-including a charged particle source and the full PSD as input-was used. The accurate and general characterization of each photon source and knowledge of the subsource dose distributions should facilitate source model commissioning procedures by allowing scaling the histogram distributions representing the subsources to be tuned.

VMC++ versus BEAMnrc: a comparison of simulated linear accelerator heads for photon beams

BEAMnrc, a code for simulating medical linear accelerators based on EGSnrc, has been bench-marked and used extensively in the scientific literature and is therefore often considered to be the gold standard for Monte Carlo simulations for radiotherapy applications. However, its long computation times make it too slow for the clinical routine and often even for research purposes without a large investment in computing resources. VMC++ is a much faster code thanks to the intensive use of variance reduction techniques and a much faster implementation of the condensed history technique for charged particle transport. A research version of this code is also capable of simulating the full head of linear accelerators operated in photon mode (excluding multileaf collimators, hard and dynamic wedges). In this work, a validation of the full head simulation at 6 and 18 MV is performed, simulating with VMC++ and BEAMnrc the addition of one head component at a time and comparing the resulting phase space files. For the comparison, photon and electron fluence, photon energy fluence, mean energy, and photon spectra are considered. The largest absolute differences are found in the energy fluences. For all the simulations of the different head components, a very good agreement (differences in energy fluences between VMC++ and BEAMnrc <1%) is obtained. Only a particular case at 6 MV shows a somewhat larger energy fluence difference of 1.4%. Dosimetrically, these phase space differences imply an agreement between both codes at the <1% level, making VMC++ head module suitable for full head simulations with considerable gain in efficiency and without loss of accuracy.

Measurement of distributions sensitive to the underlying event in inclusive Z-boson production in pp collisions at √ s=7 TeV with the ATLAS detector

A measurement of charged-particle distributions sensitive to the properties of the underlying event is presented for an inclusive sample of events containing a Z-boson, decaying to an electron or muon pair. The measurement is based on data collected using the ATLAS detector at the LHC in proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of 7 TeV with an integrated luminosity of 4.6fb−1. Distributions of the charged particle multiplicity and of the charged particle transverse momentum are measured in regions of azimuthal angle defined with respect to the Z-boson direction. The measured distributions are compared to similar distributions measured in jet events, and to the predictions of various Monte Carlo generators implementing different underlying event models.

Measurement of the underlying event in jet events from 7 TeV proton-proton collisions with the ATLAS detector

Distributions sensitive to the underlying event in QCD jet events have been measured with the ATLAS detector at the LHC, based on 37 pb−1 of proton–proton collision data collected at a centre-of-mass energy of 7 TeV. Chargedparticle mean pT and densities of all-particle ET and chargedparticle multiplicity and pT have been measured in regions azimuthally transverse to the hardest jet in each event. These are presented both as one-dimensional distributions and with their mean values as functions of the leading-jet transverse momentum from 20 to 800 GeV. The correlation of chargedparticle mean pT with charged-particle multiplicity is also studied, and the ET densities include the forward rapidity region; these features provide extra data constraints for Monte Carlo modelling of colour reconnection and beamremnant effects respectively. For the first time, underlying event observables have been computed separately for inclusive jet and exclusive dijet event selections, allowing more detailed study of the interplay of multiple partonic scattering and QCD radiation contributions to the underlying event. Comparisonsto the predictions of different Monte Carlo models show a need for further model tuning, but the standard approach is found to generally reproduce the features of the underlying event in both types of event selection.

From doubled Chern–Simons–Maxwell lattice gauge theory to extensions of the toric code

We regularize compact and non-compact Abelian Chern–Simons–Maxwell theories on a spatial lattice using the Hamiltonian formulation. We consider a doubled theory with gauge fields living on a lattice and its dual lattice. The Hilbert space of the theory is a product of local Hilbert spaces, each associated with a link and the corresponding dual link. The two electric field operators associated with the link-pair do not commute. In the non-compact case with gauge group R, each local Hilbert space is analogous to the one of a charged “particle” moving in the link-pair group space R2 in a constant “magnetic” background field. In the compact case, the link-pair group space is a torus U(1)2 threaded by k units of quantized “magnetic” flux, with k being the level of the Chern–Simons theory. The holonomies of the torus U(1)2 give rise to two self-adjoint extension parameters, which form two non-dynamical background lattice gauge fields that explicitly break the manifest gauge symmetry from U(1) to Z(k). The local Hilbert space of a link-pair then decomposes into representations of a magnetic translation group. In the pure Chern–Simons limit of a large “photon” mass, this results in a Z(k)-symmetric variant of Kitaev’s toric code, self-adjointly extended by the two non-dynamical background lattice gauge fields. Electric charges on the original lattice and on the dual lattice obey mutually anyonic statistics with the statistics angle . Non-Abelian U(k) Berry gauge fields that arise from the self-adjoint extension parameters may be interesting in the context of quantum information processing.

New fully kinetic model for the study of electric potential, plasma, and dust above lunar landscapes

We have developed a new fully kinetic electrostatic simulation, HYBes, to study how the lunar landscape affects the electric potential and plasma distributions near the surface and the properties of lifted dust. The model embodies new techniques that can be used in various types of physical environments and situations. We demonstrate the applicability of the new model in a situation involving three charged particle species, which are solar wind electrons and protons, and lunar photoelectrons. Properties of dust are studied with test particle simulations by using the electric fields derived from the HYBes model. Simulations show the high importance of the plasma and the electric potential near the surface. For comparison, the electric potential gradients near the landscapes with feature sizes of the order of the Debye length are much larger than those near a flat surface at different solar zenith angles. Furthermore, dust test particle simulations indicate that the landscape relief influences the dust location over the surface. The study suggests that the local landscape has to be taken into account when the distributions of plasma and dust above lunar surface are studied. The HYBes model can be applied not only at the Moon but also on a wide range of airless planetary objects such as Mercury, other planetary moons, asteroids, and nonactive comets.