Electronic stopping cross sections for protons in Al2O3: an experimental and theoretical study

The electronic stopping cross section (SCS) of Al2O3 for proton beams is studied both experimentally and theoretically. The measurements are made for proton energies from 40 keV up to 1 MeV, which cover the maximum stopping region, using two experimental methods, the transmission technique at low energies (similar to 40-175 keV) and the Rutherford backscattering at high energies (approximate to 190-1000 keV). These new data reveal an increment of 16% in the SCS around the maximum stopping with respect to older measurements. The theoretical study includes electronic stopping power calculations based on the dielectric formalism and on the transport cross section (TCS) model to describe the electron excitations of Al2O3. The non-linear TCS calculations of the SCS for valence electrons together with the generalized oscillator strengths (GOS) model for the core electrons compare well with the experimental data in the whole range of energies considered.

Deviation from quark number scaling of the anisotropy parameter v(2) of pions, kaons, and protons in Au+Au collisions at root s(NN)=200 GeV

Measurements of the anisotropy parameter v(2) of identified hadrons (pions, kaons, and protons) as a function of centrality, transverse momentum p(T), and transverse kinetic energy KET at midrapidity (vertical bar eta vertical bar < 0.35) in Au + Au collisions at root s(N N) = 200 GeV are presented. Pions and protons are identified up to p(T) = 6 GeV/c, and kaons up to p(T) = 4 GeV/c, by combining information from time-of-flight and aerogel Cerenkov detectors in the PHENIX Experiment. The scaling of v(2) with the number of valence quarks (n(q)) has been studied in different centrality bins as a function of transverse momentum and transverse kinetic energy. A deviation from previously observed quark-number scaling is observed at large values of KET/n(q) in noncentral Au + Au collisions (20-60%), but this scaling remains valid in central collisions (0-10%).

Untergrundstudien zur Messung der Strangeness-Vektorformfaktoren des Protons durch paritätsverletzende Elektronenstreuung unter Rückwärtswinkeln

Im Rahmen des A4-Experiments werden die Beiträge des Strange-Quarks zu den elektromagnetischen Formfaktoren des Protons gemessen. Solche Seequarkeffekte bei Niederenergieobservablen sind für das Verständnis der Hadronenstruktur wichtig, denn sie stellen eine direkte Manifestation der QCD-Freiheitsgrade im nichtperturbativen Bereich dar.rnrnLinearkombinationen der Strangeness-Vektorformfaktoren des Protons $G_E^s$ und $G_M^s$ sind experimentell über die Messung der paritätsverletzenden Asymmetrie im Wirkungsquerschnitt der elastischen Streuung longitudinal polarisierter Elektronen an unpolarisierten Nukleonen zugänglich. Vor dieser Arbeit hatte die A4-Kollaboration zwei solche Messungen unter Vorwärtsstreuwinkeln bei den Viererimpulsübertägen $Q^2$ von jeweils 0.23 und 0.10 (GeV/c)$^2$ veröffentlicht. Um die Separation von $G_E^s$ und $G_M^s$ beim höheren $Q^2$-Wert zu erhalten, wurde eine Messung unter Rückwärtswinkeln mit der Strahlenergie von 315 MeV durchgeführt.rnrnIm A4-Experiment werden die an einem Flüssigwasserstoff-Target gestreuten Elektronen eines longitudinal polarisierten Strahls mit einem Cherenkov-Kalorimeter einzeln gezählt. Durch die kalorimetrische Energiemessung erfolgt die Trennung der elastischen von den inelastischen Ereignissen. Bei Rückwärtswinkeln wurde dieses Apparat mit einem Szintillator als Elektronentagger erweitert, um den $\gamma$-Untergrund aus dem $\pi^0$-Zerfall zu unterdrücken.rnrnUm die Auswertung dieser Messung zu ermöglichen, wurden im Rahmen dieser Arbeit die gemessenen Energiespektren anhand von ausführlichen Simulationen der Streuprozesse und des Antwortverhaltens der Detektoren untersucht, und eine Methode zur Behandlung des restlichen Untergrunds aus der $\gamma$-Konversionrnvor dem Szintillator entwickelt. Die Simulationergebnisse sind auf dem 5%-Niveau mit den Messungen verträglich, und es wurde bewiesen, dass die Methode der Untergrundbehandlung anwendbar ist.rnrnDie Asymmetriemessung bei Rückwärtswinkeln, die man nach Anwendung der hier erarbeiteten Untergrundbehandlung erhält, wurde für die Separation von $G_E^s$ und $G_M^s$ bei $Q^2$=0.22 (GeV/c)^2 mit der Vorwärtswinkelmessung beim selbenrn$Q^2$ kombiniert. Es ergeben sich die Werte:rnrn$G_M^s$= -0.14 ± 0.11_{exp} ± 0.11_{theo} undrn$G_E^s$= 0.050 ± 0.038_{exp} ± 0.019_{theo}, rnrnwobei die systematische Unsicherheit wegen der Untergrundbehandlung im experimentellen Fehler enthalten ist. Am Ende der Arbeit werden die aus diesen Resultaten folgenden Rückschlüsse auf den Einfluss der Strangeness auf die statischen elektromagnetischen Eigenschaften des Protons diskutiert.rn

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.

Neuartige kryogene Penning-Falle für den Nachweis von Spin-Übergängen eines Protons und Bestimmung seines g-Faktors

In dieser Arbeit wird der Entwurf, der Aufbau, die Inbetriebnahme und die Charakterisierung einer neuartigen Penning-Falle im Rahmen des Experiments zur Bestimmung des g-Faktors des Protons präsentiert. Diese Falle zeichnet sich dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien eines äußeren homogenen Magnetfeldes durch eine ferromagnetische Ringelektrode im Zentrum der Falle verzerrt werden. Der inhomogene Anteil des resultierenden Magnetfeldes, die sogenannte magnetische Flasche, lässt sich durch den Koeffizient B2 = 297(10) mT/mm2 des Terms zweiter Ordnung der Ortsabhängigkeit des Feldes quantifizieren. Eine solche ungewöhnlich starke Feldinhomogenität ist Grundvoraussetzung für den Nachweis der Spinausrichtung des Protons mittels des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effektes. Dieser Effekt basiert auf der im inhomogenen Magnetfeld entstehenden Kopplung des Spin-Freiheitsgrades des gefangenen Protons an eine seiner Eigenfrequenzen. Ein Spin-Übergang lässt sich so über einen Frequenzsprung detektieren. Dabei ist die nachzuweisende Änderung der Frequenz proportional zu B2 und zum im Fall des Protons extrem kleinen Verhältnis zwischen seinem magnetischen Moment nund seiner Masse. Die durch die benötigte hohe Inhomogenität des Magnetfeldes bedingten technischen Herausforderungen erfordern eine fundierte Kenntnis und Kontrolle der Eigenschaften der Penning-Falle sowie der experimentellen Bedingungen. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Penning-Falle ermöglichte den erstmaligen zerstörungsfreien Nachweis von Spin-Quantensprüngen eines einzelnen gefangenen Protons, was einen Durchbruch für das Experiment zur direkten Bestimmung des g-Faktors mit der angestrebten relativen Genauigkeit von 10−9 darstellte. Mithilfe eines statistischen Verfahrens ließen sich die Larmor- und die Zyklotronfrequenz des Protons im inhomogenen Magnetfeld der Falle ermitteln. Daraus wurde der g-Faktor mit einer relativen Genauigkeit von 8,9 × 10−6 bestimmt. Die hier vorgestellten Messverfahren und der experimentelle Aufbau können auf ein äquivalentes Experiment zur Bestimmung des g-Faktors des Antiprotons zum Erreichen der gleichen Messgenauigkeit übertragen werden, womit der erste Schritt auf dem Weg zu einem neuen zwingenden Test der CPT-Symmetrie im baryonischen Sektor gemacht wäre.

Bio-inspired polymer-supported nitrido molybdenum(VI) complexes for ammonia synthesis − reactivity towards protons and electrons : EPR investigations on paramagnetic molybdenum(V) and copper(II) complexes

Die biologische Stickstofffixierung durch Molybdän-haltige Nitrogenasen sowie die Erforschung des zugrundeliegenden komplexen Mechanismus (N2-Aktivierung an Metall-Zentren, 6-fache Protonierung und Reduktion, N–N Bindungsspaltung unter Bildung von Ammoniak) ist von erheblichem Interesse. Insbesondere Molybdän-Komplexe wurden bereits erfolgreich als Modellverbindungen für die Untersuchung elementarer Einzelschritte der N2-Aktivierung eingesetzt. Durch die Verwendung von Triamidoamin-Liganden ist es Schrock et al. sogar gelungen mehrere Katalysezyklen zu durchlaufen und einen Mechanismus zu formulieren. Trotz der sterisch anspruchsvollen Substituenten in den Schrock-Komplexen ist die Umsatzrate dieses homogenen Katalysators, aufgrund Komplex-Deaktivierung infolge intermolekularer Reaktionen wie Dimerisierung und Disproportionierung, limitiert. In der vorliegenden Arbeit wurden einige dieser Herausforderungen angegangen und die aktiven Spezies auf einer Festphase immobilisiert, um intermolekulare Reaktionen durch räumliche Isolierung der Komplexe zu unterdrücken.rnEin Polymer-verankertes Analogon des Schrock Nitrido-Molybdän(VI)-Komplexes wurde auf einem neuen Reaktionsweg synthetisiert. Dieser beinhaltet nur einen einzigen Reaktionsschritt, um die funktionelle Gruppe „MoN“ einzuführen. Protonierung des immobilisierten Nitrido-Molybdän(VI)-Komplexes LMoVIN (L = Polymer-verankerter Triamidoamin-Ligand) mit 2,6-Lutidinium liefert den entsprechenden Imido-Molybdän(VI)-Komplex. Durch anschließende Ein-Elektronen-Reduktion mit Cobaltocen wird der Polymer-angebundene Imido-Molybdän(V)-Komplex erhalten, bewiesen durch EPR-Spektroskopie (g1,2,3 = 1.989, 1.929, 1.902). Durch die Immobilisierung und die effektive räumliche Separation der Reaktionszentren auf der Festphase werden bimolekulare Nebenreaktionen, die oft in homogenen Systemen auftreten, unterdrückt. Dies ermöglicht zum ersten Mal die Darstellung des Imido-Molybdän(V)-Intermediates des Schrock-Zyklus.rnEPR-Spektren des als Spin-Label eingeführten immobilisierten Nitrato-Kupfer(II)-Komplexes wurden unter verschiedenen Bedingungen (Lösungsmittel, Temperatur) aufgenommen, wobei sich eine starke Abhängigkeit zwischen der Zugänglichkeit und Reaktivität der immobilisierten Reaktionszentren und der Art des Lösungsmittels zeigte. Somit wurde die Reaktivität von LMoVIN gegenüber Protonen und Elektronen, welches zur Bildung von NH3 führt, unter Verwendung verschiedener Lösungsmittel untersucht und optimiert. Innerhalb des kugelförmigen Polymers verläuft die Protonierung und Reduktion von LMoVIN stufenweise. Aktive Zentren, die sich an der „äußeren Schale“ des Polymers befinden, sind gut zugänglich und reagieren schnell nach H+/e− Zugabe. Aktive Zentren im „Inneren des Polymers“ hingegen sind schlechter zugänglich und zeigen langsame diffusions-kontrollierte Reaktionen, wobei drei H+/e− Schritte gefolgt von einer Ligandenaustausch-Reaktion erforderlich sind, um NH3 freizusetzen: LMoVIN  LMoVNH  LMoIVNH2  LMoIIINH3 und anschließender Ligandenaustausch führt zur Freisetzung von NH3.rnIn einem weiteren Projekt wurde der Bis(ddpd)-Kupfer(II)-Komplex EPR-spektroskopisch in Hinblick auf Jahn−Teller-Verzerrung und -Dynamik untersucht. Dabei wurden die EPR-Spektren bei variabler Temperatur (70−293 K) aufgenommen. Im Festkörperspektrum bei T &lt; 100 K erscheint der Kupfer(II)-Komplex als gestreckter Oktaeder, wohingegen das EPR-Spektrum bei höheren Temperaturen g-Werte aufzeigt, die einer pseudo-gestauchten oktaedrischen Kupfer(II)-Spezies zuzuordnen sind. Diese Tatsache wird einem intramolekularen dynamischen Jahn−Teller Phänomen zugeschrieben, welcher bei 100 K eingefroren wird.

Chandrayaan-1 observations of backscattered solar wind protons from the lunar regolith: Dependence on the solar wind speed

We study the backscattering of solar wind protons from the lunar regolith using the Solar Wind Monitor of the Sub-keV Atom Reflecting Analyzer on Chandrayaan-1. Our study focuses on the component of the backscattered particles that leaves the regolith with a positive charge. We find that the fraction of the incident solar wind protons that backscatter as protons, i.e., the proton-backscattering efficiency, has an exponential dependence on the solar wind speed that varies from ~0.01% to ~1% for solar wind speeds of 250 km/s to 550 km/s. We also study the speed distribution of the backscattered protons in the fast (~550 km/s) solar wind case and find both a peak speed at ~80% of the solar wind speed and a spread of ~85 km/s. The observed flux variations and speed distribution of the backscattered protons can be explained by a speed-dependent charge state of the backscattered particles.

Measurements of neutrino oscillation in appearance and disappearance channels by the T2K experiment with 6.6×10²⁰ protons on target

We report on measurements of neutrino oscillation using data from the T2K long-baseline neutrino experiment collected between 2010 and 2013. In an analysis of muon neutrino disappearance alone, we find the following estimates and 68% confidence intervals for the two possible mass hierarchies: Normal Hierarchy: sin²θ₂₃= 0.514+0.055−0.056 and ∆m²_32 = (2.51 ± 0.10) × 10⁻³ eV²/c⁴ Inverted Hierarchy: sin²θ₂₃= 0.511 ± 0.055 and ∆m²_13 = (2.48 ± 0.10) × 10⁻³ eV²/c⁴ The analysis accounts for multi-nucleon mechanisms in neutrino interactions which were found to introduce negligible bias. We describe our first analyses that combine measurements of muon neutrino disappearance and electron neutrino appearance to estimate four oscillation parameters, |∆m^2|, sin²θ₂₃, sin²θ₁₃, δCP , and the mass hierarchy. Frequentist and Bayesian intervals are presented for combinations of these parameters, with and without including recent reactor measurements. At 90% confidence level and including reactor measurements, we exclude the region δCP = [0.15, 0.83]π for normal hierarchy and δCP = [−0.08, 1.09]π for inverted hierarchy. The T2K and reactor data weakly favor the normal hierarchy with a Bayes Factor of 2.2. The most probable values and 68% 1D credible intervals for the other oscillation parameters, when reactor data are included, are: sin²θ₂₃= 0.528+0.055−0.038 and |∆m²_32| = (2.51 ± 0.11) × 10⁻³ eV²/c⁴.

Identification of the proton pathway in bacterial reaction centers: Both protons associated with reduction of QB to QBH2 share a common entry point

The reaction center from Rhodobacter sphaeroides uses light energy for the reduction and protonation of a quinone molecule, QB. This process involves the transfer of two protons from the aqueous solution to the protein-bound QB molecule. The second proton, H+(2), is supplied to QB by Glu-L212, an internal residue protonated in response to formation of QA− and QB−. In this work, the pathway for H+(2) to Glu-L212 was studied by measuring the effects of divalent metal ion binding on the protonation of Glu-L212, which was assayed by two types of processes. One was proton uptake from solution after the one-electron reduction of QA (DQA→D+QA−) and QB (DQB→D+QB−), studied by using pH-sensitive dyes. The other was the electron transfer kAB(1) (QA−QB→QAQB−). At pH 8.5, binding of Zn2+, Cd2+, or Ni2+ reduced the rates of proton uptake upon QA− and QB− formation as well as kAB(1) by ≈an order of magnitude, resulting in similar final values, indicating that there is a common rate-limiting step. Because D+QA− is formed 105-fold faster than the induced proton uptake, the observed rate decrease must be caused by an inhibition of the proton transfer. The Glu-L212→Gln mutant reaction centers displayed greatly reduced amplitudes of proton uptake and exhibited no changes in rates of proton uptake or electron transfer upon Zn2+ binding. Therefore, metal binding specifically decreased the rate of proton transfer to Glu-L212, because the observed rates were decreased only when proton uptake by Glu-L212 was required. The entry point for the second proton H+(2) was thus identified to be the same as for the first proton H+(1), close to the metal binding region Asp-H124, His-H126, and His-H128.