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.

Transport of nanoparticles into polymersomes : a minimal model system of particles passage through biological membranes

This thesis focuses on the design and characterization of a novel, artificial minimal model membrane system with chosen physical parameters to mimic a nanoparticle uptake process driven exclusively by adhesion and softness of the bilayer. The realization is based on polymersomes composed of poly(dimethylsiloxane)-b-poly(2-methyloxazoline) (PMDS-b-PMOXA) and nanoscopic colloidal particles (polystyrene, silica), and the utilization of powerful characterization techniques. rnPDMS-b-PMOXA polymersomes with a radius, Rh ~100 nm, a size polydispersity, PD = 1.1 and a membrane thickness, h = 16 nm, were prepared using the film rehydratation method. Due to the suitable mechanical properties (Young’s modulus of ~17 MPa and a bending modulus of ~7⋅10-8 J) along with the long-term stability and the modifiability, these kind of polymersomes can be used as model membranes to study physical and physicochemical aspects of transmembrane transport of nanoparticles. A combination of photon (PCS) and fluorescence (FCS) correlation spectroscopies optimizes species selectivity, necessary for a unique internalization study encompassing two main efforts. rnFor the proof of concepts, the first effort focused on the interaction of nanoparticles (Rh NP SiO2 = 14 nm, Rh NP PS = 16 nm; cNP = 0.1 gL-1) and polymersomes (Rh P = 112 nm; cP = 0.045 gL-1) with fixed size and concentration. Identification of a modified form factor of the polymersome entities, selectively seen in the PCS experiment, enabled a precise monitor and quantitative description of the incorporation process. Combining PCS and FCS led to the estimation of the incorporated particles per polymersome (about 8 in the examined system) and the development of an appropriate methodology for the kinetics and dynamics of the internalization process. rnThe second effort aimed at the establishment of the necessary phenomenology to facilitate comparison with theories. The size and concentration of the nanoparticles were chosen as the most important system variables (Rh NP = 14 - 57 nm; cNP = 0.05 - 0.2 gL-1). It was revealed that the incorporation process could be controlled to a significant extent by changing the nanoparticles size and concentration. Average number of 7 up to 11 NPs with Rh NP = 14 nm and 3 up to 6 NPs with Rh NP = 25 nm can be internalized into the present polymersomes by changing initial nanoparticles concentration in the range 0.1- 0.2 gL-1. Rapid internalization of the particles by polymersomes is observed only above a critical threshold particles concentration, dependent on the nanoparticle size. rnWith regard possible pathways for the particle uptake, cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM) has revealed two different incorporation mechanisms depending on the size of the involved nanoparticles: cooperative incorporation of nanoparticles groups or single nanoparticles incorporation. Conditions for nanoparticle uptake and controlled filling of polymersomes were presented. rnIn the framework of this thesis, the experimental observation of transmembrane transport of spherical PS and SiO2 NPs into polymersomes via an internalization process was reported and examined quantitatively for the first time. rnIn a summary the work performed in frames of this thesis might have significant impact on cell model systems’ development and thus improved understanding of transmembrane transport processes. The present experimental findings help create the missing phenomenology necessary for a detailed understanding of a phenomenon with great relevance in transmembrane transport. The fact that transmembrane transport of nanoparticles can be performed by artificial model system without any additional stimuli has a fundamental impact on the understanding, not only of the nanoparticle invagination process but also of the interaction of nanoparticles with biological as well as polymeric membranes. rn

Zerfallspionenspektroskopie leichter Hyperkerne in der Elektroproduktion

Am Mainzer Mikrotron können Lambda-Hyperkerne in (e,e'K^+)-Reaktionen erzeugt werden. Durch den Nachweis des erzeugten Kaons im KAOS-Spektrometer lassen sich Reaktionen markieren, bei denen ein Hyperon erzeugt wurde. Die Spektroskopie geladener Pionen, die aus schwachen Zweikörperzerfällen leichter Hyperkerne stammen, erlaubt es die Bindungsenergie des Hyperons im Kern mit hoher Präzision zu bestimmen. Neben der direkten Produktion von Hyperkernen ist auch die Erzeugung durch die Fragmentierung eines hoch angeregten Kontinuumszustands möglich. Dadurch können unterschiedliche Hyperkerne in einem Experiment untersucht werden. Für die Spektroskopie der Zerfallspionen stehen hochauflösende Magnetspektrometer zur Verfügung. Um die Grundzustandsmasse der Hyperkerne aus dem Pionimpuls zu berechnen, ist es erforderlich, dass das Hyperfragment vor dem Zerfall im Target abgebremst wird. Basierend auf dem bekannten Wirkungsquerschnitt der elementaren Kaon-Photoproduktion wurde eine Berechnung der zu erwartenden Ereignisrate vorgenommen. Es wurde eine Monte-Carlo-Simulation entwickelt, die den Fragmentierungsprozess und das Abbremsen der Hyperfragmente im Target beinhaltet. Diese nutzt ein statistisches Aufbruchsmodell zur Beschreibung der Fragmentierung. Dieser Ansatz ermöglicht für Wasserstoff-4-Lambda-Hyperkerne eine Vorhersage der zu erwartenden Zählrate an Zerfallspionen. In einem Pilotexperiment im Jahr 2011 wurde erstmalig an MAMI der Nachweis von Hadronen mit dem KAOS-Spektrometer unter einem Streuwinkel von 0° demonstriert, und koinzident dazu Pionen nachgewiesen. Es zeigte sich, dass bedingt durch die hohen Untergrundraten von Positronen in KAOS eine eindeutige Identifizierung von Hyperkernen in dieser Konfiguration nicht möglich war. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde das KAOS-Spektrometer so modifiziert, dass es als dedizierter Kaonenmarkierer fungierte. Zu diesem Zweck wurde ein Absorber aus Blei im Spektrometer montiert, in dem Positronen durch Schauerbildung abgestoppt werden. Die Auswirkung eines solchen Absorbers wurde in einem Strahltest untersucht. Eine Simulation basierend auf Geant4 wurde entwickelt mittels derer der Aufbau von Absorber und Detektoren optimiert wurde, und die Vorhersagen über die Auswirkung auf die Datenqualität ermöglichte. Zusätzlich wurden mit der Simulation individuelle Rückrechnungsmatrizen für Kaonen, Pionen und Protonen erzeugt, die die Wechselwirkung der Teilchen mit der Bleiwand beinhalteten, und somit eine Korrektur der Auswirkungen ermöglichen. Mit dem verbesserten Aufbau wurde 2012 eine Produktionsstrahlzeit durchgeführt, wobei erfolgreich Kaonen unter 0° Streuwinkel koninzident mit Pionen aus schwachen Zerfällen detektiert werden konnten. Dabei konnte im Impulsspektrum der Zerfallspionen eine Überhöhung mit einer Signifikanz, die einem p-Wert von 2,5 x 10^-4 entspricht, festgestellt werden. Diese Ereignisse können aufgrund ihres Impulses, den Zerfällen von Wasserstoff-4-Lambda-Hyperkernen zugeordnet werden, wobei die Anzahl detektierter Pionen konsistent mit der berechneten Ausbeute ist.

Der g-Faktor des Protons

In dieser Arbeit wird die bisher präziseste und erste direkte Hochpräzisionsmessung des g-Faktors eines einzelnen Protons präsentiert. Die Messung beruht auf der nicht-destruktiven Bestimmung der Zyklotronfrequenz und der Larmorfrequenz eines in einer Penning-Falle gespeicherten Protons. Zur Bestimmung der Larmorfrequenz wird die Spin-Flip-Wahrscheinlichkeit als Funktion einer externen Spin-Flip-Anregung aufgenommen. Zu diesem Zweck wird der kontinuierliche Stern-Gerlach Effekt verwendet, welcher zu einer Kopplung des Spin-Moments an die axiale Bewegung des Protons führt. Ein Spin-Flip zeigt sich dabei in einem Sprung der axialen Bewegungsfrequenz. Die Schwierigkeit besteht darin, diesen Frequenzsprung auf einem Hintergrund axialer Frequenzfluktuationen zu detektieren. Um diese Herausforderung zu bewältigen, wurden neuartige Methoden und Techniken angewandt. Zum einen wurden supraleitende Nachweise mit höchster Empfindlichkeit entwickelt, welche schnelle und damit präzise Frequenzmessungen erlauben. Zum anderen wurde eine auf dem statistischen Bayes Theorem basierende Spin-Flip-Analyse-Methode angewandt. Mit diesen Verbesserungen war es möglich, einzelne Spin-Flips eines einzelnen Protons zu beobachten. Dies wiederum ermöglichte die Anwendung der sogenannten Doppelfallen-Methode, und damit die eingangs erwähnte Messung des g-Faktors mit einer Präzision von 4.3 10^-9.

Hadronic correlation functions with quark-disconnected contributions in lattice QCD

One of the fundamental interactions in the Standard Model of particle physicsrnis the strong force, which can be formulated as a non-abelian gauge theoryrncalled Quantum Chromodynamics (QCD). rnIn the low-energy regime, where the QCD coupling becomes strong and quarksrnand gluons are confined to hadrons, a perturbativernexpansion in the coupling constant is not possible.rnHowever, the introduction of a four-dimensional Euclidean space-timernlattice allows for an textit{ab initio} treatment of QCD and provides arnpowerful tool to study the low-energy dynamics of hadrons.rnSome hadronic matrix elements of interest receive contributionsrnfrom diagrams including quark-disconnected loops, i.e. disconnected quarkrnlines from one lattice point back to the same point. The calculation of suchrnquark loops is computationally very demanding, because it requires knowledge ofrnthe all-to-all propagator. In this thesis we use stochastic sources and arnhopping parameter expansion to estimate such propagators.rnWe apply this technique to study two problems which relay crucially on therncalculation of quark-disconnected diagrams, namely the scalar form factor ofrnthe pion and the hadronic vacuum polarization contribution to the anomalousrnmagnet moment of the muon.rnThe scalar form factor of the pion describes the coupling of a charged pion torna scalar particle. We calculate the connected and the disconnected contributionrnto the scalar form factor for three different momentum transfers. The scalarrnradius of the pion is extracted from the momentum dependence of the form factor.rnThe use ofrnseveral different pion masses and lattice spacings allows for an extrapolationrnto the physical point. The chiral extrapolation is done using chiralrnperturbation theory ($chi$PT). We find that our pion mass dependence of thernscalar radius is consistent with $chi$PT at next-to-leading order.rnAdditionally, we are able to extract the low energy constant $ell_4$ from thernextrapolation, and ourrnresult is in agreement with results from other lattice determinations.rnFurthermore, our result for the scalar pion radius at the physical point isrnconsistent with a value that was extracted from $pipi$-scattering data. rnThe hadronic vacuum polarization (HVP) is the leading-order hadronicrncontribution to the anomalous magnetic moment $a_mu$ of the muon. The HVP canrnbe estimated from the correlation of two vector currents in the time-momentumrnrepresentation. We explicitly calculate the corresponding disconnectedrncontribution to the vector correlator. We find that the disconnectedrncontribution is consistent with zero within its statistical errors. This resultrncan be converted into an upper limit for the maximum contribution of therndisconnected diagram to $a_mu$ by using the expected time-dependence of therncorrelator and comparing it to the corresponding connected contribution. Wernfind the disconnected contribution to be smaller than $approx5%$ of thernconnected one. This value can be used as an estimate for a systematic errorrnthat arises from neglecting the disconnected contribution.rn

Measurement of the e + e - pi + pi - cross section using initial state radiation at BESIII

The future goal of modern physics is the discovery of physics beyond the Standard Model. One of the most significant hints for New Physics can be seen in the anomalous magnetic moment of the muon - one of the most precise measured variables in modern physics and the main motivation of this work. This variable is associated with the coupling of the muon, an elementary particle, to an external electromagnetic field and is defined as a = (g - 2)/2, whereas g is the gyromagnetic factor of the muon. The muon anomaly has been measured with a relative accuracy of 0.5·10-6. However, a difference between the direct measurement and the Standard Model prediction of 3.6 standard deviations can be observed. This could be a hint for the existence of New Physics. Unfortunately, it is, yet, not significant enough to claim an observation and, thus, more precise measurements and calculations have to be performed.rnThe muon anomaly has three contributions, whereas the ones from quantum electrodynamics and weak interaction can be determined from perturbative calculations. This cannot be done in case of the hadronic contributions at low energies. The leading order contribution - the hadronic vacuum polarization - can be computed via a dispersion integral, which needs as input hadronic cross section measurements from electron-positron annihilations. Hence, it is essential for a precise prediction of the muon anomaly to measure these hadronic cross sections, σ(e+e-→hadrons), with high accuracy. With a contribution of more than 70%, the final state containing two charged pions is the most important one in this context.rnIn this thesis, a new measurement of the σ(e+e-→π+π-) cross section and the pion form factor is performed with an accuracy of 0.9% in the dominant ρ(770) resonance region between 600 and rn900 MeV at the BESIII experiment. The two-pion contribution to the leading-order (LO) hadronic vacuum polarization contribution to (g - 2) from the BESIII result, obtained in this work, is computed to be a(ππ,LO,600-900 MeV) = (368.2±2.5stat±3.3sys)·10-10. With the result presented in this thesis, we make an important contribution on the way to solve the (g - 2) puzzle.

Über Erdfälle am nordwestlichen Harzrand zwischen Hahausen und Osterode am Harz

Am nordwestlichen Harzrand zwischen Hahausen und Osterode wurden 482 Erdfälle systematisch aufgenommen. Als Erdfälle wurden dabei alle oberirdischen Groß-Subrosionsformen ungeachtet ihrer Entstehung aufgefaßt. Die Geländekartierung stützte sich auf Archivunterlagen, alte topographische und geologische Karten sowie auf Luftbilder. Erdfälle im Ausstrich gleicher stratigraphischer Einheiten wurden zusammengefaßt und ihre Basisdaten: Erdfalltyp, -umriß, -fläche und Formfaktor (Durchmesser:Tiefe) miteinander verglichen. Die Dimensionen der Erdfälle werden an der Oberfläche von zwei Faktoren beeinflußt, dem Alter und der Genese. Bei den meist fossilen Erdfällen werden charakteristische genetische Merkmale durch den Alterungsprozeß so stark überprägt, daß sie in der Statistik nicht mehr signifikant hervortreten. Für die einzelnen Schichtabschnitte wurden theoretische Modelle zur Erdfallmechanik am konkreten Beispiel überprüft. Im Oberen Buntsandstein können die Formen als Senkungskessel, Normalerdfälle und Subrosionserdfälle gedeutet werden. Mit den vorliegenden Daten ist es jedoch nicht möglich, einzelnen Erdfällen bestimmte Entstehungsmechanismen zuzuordnen. Die Erdfälle im Unteren Buntsandstein brechen siloartig zur Tagesfläche nach oben. Lockergesteinsbedeckung kann den Durchbruch verzögern, besonders wenn kohäsive Lagen eingeschaltet sind. Normalerdfälle treten im Zechstein 3 und 4 auf. Im nicht verkarsteten Gestein kann sich ein Pseudogewölbe ausbilden, aber auch ein kaminartiger Hohlraum ist denkbar. Im Basalanhydrit, Staßfurtkalk und -dolomit, in der Einsturzbreccie aus Staßfurtkalk und -dolomit sowie im Werra-Anhydrit entwickeln sich die Formen in Abhängigkeit vom Ansatzpunkt der Verkarstung. Wird innerhalb des Sulfatgesteins gelöst, so entstehen Normalerdfälle. Punktuelle Ablaugung an der Oberfläche des Karstgesteins führt zu Senkungskesseln. Mächtige Quartärbedeckung modifiziert ähnlich wie beim Unteren Buntsandstein die Bruch- und Senkungsvorgänge. Die Erdfälle treten vergesellschaftet auf und sind linear angeordnet, wobei sie Kluftmuster, Störungs- und Entspannungszonen nachzeichnen. Prognosen über zukünftige Erdfallbildungen können nicht gestellt werden. Die Geophysik verfügt bis jetzt über keine allgemein gültige Methode, um unterirdische Hohlräume nachzuweisen. Auch in der Bergschadenskunde sind keine Ansätze bekannt, die das Problem rechnerisch erfassen. Erste Versuche zur Bestimmung der ursprünglichen Hohlräume unter bekannten Erdfällen sind nur bedingt brauchbar. Eine Rayonisierung ist für die Bauplanung keine wirkliche Entscheidungshilfe. Zu große Flächen müßten danach als erdfallgefährdet angesehen werden. Nur eine detaillierte Aufnahme der subrosionsbedingten Veränderungen der Erdoberfläche unter Berücksichtigung des geologischen Rahmens liefert ein sicheres Fundament für die Beurteilung des Gefährdungsgrades einer Region.