Einfluss einer Schwerionenbestrahlung auf das Migrationsverhalten von Tumorzellen

Die Bildung von Metastasen und Rezidiven stellt ein großes Problem für eine erfolgreiche Therapie solider maligner Tumoren dar. Dabei ist die Rolle der angewendeten Therapiever-fahren in der Induktion metastasierender Zellen vor allem für eine Schwerionentherapie noch weitestgehend unklar. Die für die Metastasierung entscheidende Tumorzellmigration wurde daher unter dem Einfluss von Röntgen- und Schwerionenstrahlung untersuchen. Dazu wurden drei humane Tumorzelllinien (Gliomzelllinie U87 und kolorektale Zelllinien HCT116 und HCT116 p21-/-) unter standardisierten Bedingungen in einer Boydenkammer direkt und 24 Stunden nach Bestrahlung in vitro auf ihr Migrationsverhalten untersucht. Um mögliche Än-derungen migrationsrelevanter Proteine zu bestimmen, wurden zu denselben Zeitpunkten Zelllysate hergestellt und die Expression der Integrine b1 und b3 sowie der Proteinkinase B Isoformen Akt1 und Akt2 und deren Phosphorylierung untersucht. Gezeigt werden konnten sowohl zelllinien- als auch strahlenspezifische Unterschiede in der Migration und der Proteinexpressionen. Dabei konnten die beobachteten Migrationsänderungen nur zum Teil (vor allem nach Röntgenbestrahlung) durch die veränderte Expressionen der untersuchten Proteine erklärt werden. Daher ist zu vermuten, dass den strahleninduzierten Veränderungen der Migration der verwendeten Zelllinien verschiedene Mechanis-men zugrunde liegen, die auf der Expression unterschiedlicher Proteine beruhen. Bestrahlungen mit 12C-Ionen scheinen prinzipiell andere Expressionsmuster zu induzieren als konventionelle Strahlung und die hier untersuchten Proteine in der Migration der Zellen daher nur eine untergeordnete Rolle zu spielen. Auffällig waren die deutlich zelllinienspezifischen Unterschiede in der Migration nach Röntgenbestrahlung. Dort wurde ein zum Teil erhöhtes Migrationspotential nach klinisch relevanten Bestrahlungsdosen von U87 Gliomzellen festgestellt. Die Migrationsaktivität von kolorektalen Zelllinien hingegen nahm nach Bestrahlung ab. Nach Schwerionenbestrahlung wurden für alle Zelllinien signifikante Abnahmen der Migration festgestellt. Die hier erhaltenen Ergebnisse können aufgrund einer Vielzahl pro- und antimigratorischer Signale im Tumorgewebe nicht direkt in die in vivo Situation übertragen werden, doch können sie durchaus als Hinweise für die Abschätzung eines veränderten Metastasierungsrisikos dienen. Für kolorektale Zellen, unabhängig von ihrem p21-Status scheint eine Behandlung mit Röntgenstrahlen eher nicht mit einem erhöhten Migrationsrisiko einherzugehen. Anders ist dies bei den hier untersuchten Gliomzellen U87. Hier kann ein strahleninduziertes Metastasierungsrisiko aufgrund der erzielten Ergebnisse keinesfalls ausgeschlossen werden. Aus dieser Sicht scheint eine Behandlung von Gliomen mit 12C-Ionen vorteilhafter, da eine sehr gute reproduzierbare strahlenvermittelte Migrationshemmung beobachtet wurde.

Towards a new test of time dilation: Laser spectroscopy on lithium ions stored at a velocity of 33.8 % of the speed of light

The subject of the presented thesis is the accurate measurement of time dilation, aiming at a quantitative test of special relativity. By means of laser spectroscopy, the relativistic Doppler shifts of a clock transition in the metastable triplet spectrum of ^7Li^+ are simultaneously measured with and against the direction of motion of the ions. By employing saturation or optical double resonance spectroscopy, the Doppler broadening as caused by the ions' velocity distribution is eliminated. From these shifts both time dilation as well as the ion velocity can be extracted with high accuracy allowing for a test of the predictions of special relativity. A diode laser and a frequency-doubled titanium sapphire laser were set up for antiparallel and parallel excitation of the ions, respectively. To achieve a robust control of the laser frequencies required for the beam times, a redundant system of frequency standards consisting of a rubidium spectrometer, an iodine spectrometer, and a frequency comb was developed. At the experimental section of the ESR, an automated laser beam guiding system for exact control of polarisation, beam profile, and overlap with the ion beam, as well as a fluorescence detection system were built up. During the first experiments, the production, acceleration and lifetime of the metastable ions at the GSI heavy ion facility were investigated for the first time. The characterisation of the ion beam allowed for the first time to measure its velocity directly via the Doppler effect, which resulted in a new improved calibration of the electron cooler. In the following step the first sub-Doppler spectroscopy signals from an ion beam at 33.8 %c could be recorded. The unprecedented accuracy in such experiments allowed to derive a new upper bound for possible higher-order deviations from special relativity. Moreover future measurements with the experimental setup developed in this thesis have the potential to improve the sensitivity to low-order deviations by at least one order of magnitude compared to previous experiments; and will thus lead to a further contribution to the test of the standard model.

E-ToF-Messungen mit kalorimetrischen Tieftemperatur-Detektoren zur Bestimmung spezischer Energieverluste und zur Massenidentifikation niederenergetischer Schwerionen

Kalorimetrische Tieftemperatur-Detektoren (Calorimetric Low Temperature Detectors, CLTDs) wurden erstmals in Messungen zur Bestimmung des spezifischen Energieverlustes (dE/dx) niederenergetischer Schwerionen beim Durchgang durch Materie eingesetzt. Die Messungen wurden im Energiebereich unterhalb des Bragg-Peaks, mit 0.1 - 1.4 MeV/u 238U-Ionen in Kohlenstoff und Gold sowie mit 0.05 - 1.0 MeV/u 131Xe-Ionen in Kohlenstoff, Nickel und Gold, durchgeführt. Die Kombination der CLTDs mit einem Flugzeitdetektor ermöglichte dabei, kontinuierliche dE/dx-Kurven über größere Energiebereiche hinweg simultan zu bestimmen. Im Vergleich zu herkömmlichen Meßsystemen, die Ionisationsdetektoren zur Energiemessung verwenden, erlaubten die höhere Energieauflösung und -linearität der CLTDs eine Verringerung der Kalibrierungsfehler sowie eine Erweiterung des zugänglichen Energiebereiches der dE/dx-Messungen in Richtung niedriger Energien. Die gewonnen Daten können zur Anpassung theoretischer und semi-empirischer Modelle und somit zu einer Erhöhung der Präzision bei der Vorhersage spezifischer Energieverluste schwerer Ionen beitragen. Neben der experimentellen Bestimmung neuer Daten wurden das alternative Detektionsprinzip der CLTDs, die Vorteile dieser Detektoren bezüglich Energieauflösung und -linearität sowie der modulare Aufbau des CLTD-Arrays aus mehreren Einzeldetektoren genutzt, um diese Art von Messung auf potentielle systematische Unsicherheiten zu untersuchen. Unter anderem wurden hierbei unerwartete Channeling-Effekte beim Durchgang der Ionen durch dünne polykristalline Absorberfolien beobachtet. Die koinzidenten Energie- und Flugzeitmessungen (E-ToF) wurden weiterhin genutzt, um das Auflösungsvermögen des Detektor-Systems bei der direkten in-flight Massenbestimmung langsamer und sehr schwerer Ionen zu bestimmen. Durch die exzellente Energieauflösung der CLTDs konnten hierbei Massenauflösungen von Delta-m(FWHM) = 1.3 - 2.5 u für 0.1 - 0.6 MeV/u 238U-Ionen erreicht werden. In einer E-ToF-Messung mit Ionisationsdetektoren sind solche Werte in diesem Energie- und Massenbereich aufgrund der Limitierung der Energieauflösung durch statistische Schwankungen von Verlustprozessen beim Teilchennachweis nicht erreichbar.

Massenspektrometrische Wasserdampfmessung in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung des flugzeuggetragenen Atmosphärischen Ionisations-Massenspektrometers AIMS-H2O zur Messung von Wasserdampf in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) und erste Flugzeugmessungen mit dem Instrument. Wasserdampf beeinflusst das Klima in der UTLS aufgrund seiner Strahlungseigenschaften und agiert als wichtiger Parameter bei der Bildung von Zirruswolken und Kondensstreifen. Deshalb sind genaue Wasserdampfmessungen für das Verständnis vieler atmosphärischer Prozesse unerlässlich. Instrumentenvergleiche wie sie im SPARC Report No. 2 und dem Bericht der AUQAVIT Kampagne zusammengefasst sind, haben gezeigt, dass große Abweichungen zwischen einzelnen Methoden und Instrumenten bestehen. Diese Unsicherheiten limitieren das Verständnis des Einflusses von Wasserdampf auf die Dynamik und die Strahlungseigenschaften in der UTLS. Die in dieser Arbeit vorgestellte Entwicklung einer neuen Messmethode für Wasserdampf mit dem Massenspektrometer AIMS-H2O ist deshalb auf die genaue Messung niedriger Wasserdampfkonzentrationen in der UTLS fokussiert. Mit AIMS H2O wird Umgebungsluft in einer neu entwickelten Gasentladungsquelle ionisiert. Durch eine Reihe von Ionen-Molekül-Reaktionen entstehen H3O+(H2O) und H3O+(H2O)2 Ionen. Diese Ionen werden genutzt, um die Wasserdampfkonzentration in der Atmosphäre zu bestimmen. Um die erforderliche hohe Genauigkeit zu erzielen, wird AIMS H2O im Flug kalibriert. In dem zu diesem Zweck aufgebauten Kalibrationsmodul wird die katalytische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff auf einer Platinoberfläche genutzt, um definierte Wasserdampfkonzentrationen für die Kalibration im Flug zu erzeugen. Bei ersten Messungen auf der Falcon während der Kampagne CONCERT 2011 konnte dabei eine Genauigkeit von 8 bis 15% für die Messung der Wasserdampfkonzentration in einem Messbereich von 0,5 bis 250 ppmv erreicht werden. Die Messfrequenz betrug 4 Hz, was einer räumlichen Auflösung von etwa 50 m entspricht. Der Vergleich der Messung des Massenspektrometers mit dem Laserhygrometer Waran zeigt eine sehr gute Übereinstimmung im Rahmen der Unsicherheiten. Anhand zweier Fallstudien werden die Messungen von AIMS H2O während CONCERT 2011 detailliert analysiert. In der ersten Studie werden zwei Flüge in eine stratosphärische Intrusion über Nordeuropa untersucht. In dieser Situation wurde stratosphärische Luft bis hinunter auf 6 km Höhe transportiert und war dadurch mit der Falcon erreichbar. Es konnte gezeigt werden, dass AIMS-H2O sehr gut für die genaue Messung niedriger Wasserdampfkonzentrationen, in diesem Fall bis etwa 3,5 ppmv, geeignet ist. Der Vergleich der Messung mit Analysen des ECMWF Integrated Forecast Systems zeigt eine gute Übereinstimmung der gemessenen Wasserdampfstrukturen mit der dynamischen Tropopause. Unterschiede tauchen dagegen beim Vergleich der Wasserdampfkonzentrationen in der unteren Stratosphäre auf. Hier prognostiziert das Modell deutlich höhere Feuchten. Die zweite Fallstudie beschäftigt sich mit der Verteilung der relativen Feuchte in jungen Kondensstreifen im Vergleich zu ihrer direkten Umgebung. Dabei wurde für drei Messsequenzen im Abgasstrahl von Flugzeugen beobachtet, dass die relative Feuchte innerhalb des Kondensstreifens im Vergleich zur Umgebung sowohl bei unter- als auch übersättigten Umgebungsbedingungen in Richtung Sättigung verschoben ist. Die hohe Anzahl an Eispartikeln und die damit verbundene große Eisoberfläche in jungen Kondensstreifen führt also zu einer schnellen Relaxation von Gasphase und Eis in Richtung Gleichgewicht. In der Zukunft soll AIMS-H2O auch auf HALO für die genaue Messung von Wasserdampf bei ML-CIRRUS und weiteren Kampagnen eingesetzt werden.

Strahlungsinduzierte Mukositis als Risiko der Raumfahrt : Modelluntersuchungen an Röntgen- und Schwerionen-bestrahlten organotypischen Mundschleimhaut-Modellen

Während ausgedehnter Weltraumflüge zum Mond und Mars wäre die Besatzung eines Raumschiffs dicht ionisierender Schwerionenstrahlung, der sogenannten kosmischen Strahlung, ausgesetzt. Da bei vielen Krebspatienten die orale Mukositis als eine gravierende Nebenwirkung bei der herkömmlichen Strahlentherapie auftritt, könnte diese Erkrankung ein medizinisches Problem während ausgedehnter Weltraumflüge darstellen. Allerdings liegen bislang keine Untersuchungen über eine mögliche Mukositis-induzierte Wirkung von Schwerionenstrahlung vor. Um das Risiko strahlungsinduzierter oraler Mukositis durch kosmische Strahlung abzuschätzen, wurden dreidimensionale organotypische Mundschleimhaut-Modelle 12C Schwerionen- bzw. Röntgenstrahlung ausgesetzt und nach definierten Inkubationszeiten kryokonserviert. Aus dem Material wurden Kryoschnitte gefertigt, mit denen anschließend histologische und immunhistologische Fluoreszenzfärbungen zum Nachweis von zum Beispiel Kompaktheitsverlust, Doppelstrangbrüchen der DNA und NF-κB-Aktivierung durchgeführt wurden. Die Ausschüttung von Tumornekrosefaktor α, Interleukin 1β, Interleukin 6 und Interleukin 8 wurde in Probenüberständen mittels ELISA analysiert. Das Hauptaugenmerk dieser Studie lag dabei auf den frühen durch Strahlung verursachten Effekten. rnIm Rahmen dieser Dissertation wurde ein dreidimensionales Mundschleimhaut-Modell etabliert, das verglichen mit humaner Mundschleimhaut viele organotypische Differenzierungsmarker und in vivo-ähnliche Reaktionen auf bestimmte Reize zeigte. Nach einer Bestrahlung mit schweren Kohlenstoffionen bzw. mit Röntgenstrahlung wurden strahlungsinduzierte Effekte auf mehreren Ebenen detektiert. Bereits 1 h nach Bestrahlung konnten dosisabhängig vermehrte Doppelstrangbrüche in der DNA detektiert werden, wobei bei gleicher Dosis Schwerionenstrahlung im Durchschnitt doppelt so viele DSB verursachte wie Röntgenstrahlung. Das Mundschleimhaut-Modell reagierte auf beide Strahlungsarten mit einer Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-κB p50, wobei Röntgenstrahlung diese Aktivierung früher induzierte als Schwerionen. Eine strahlungsinduzierte Aktivierung von NF-κB p65 wurde in den organotypischen Kulturen zu den untersuchten Zeitpunkten nicht beobachtet. Im Vergleich zu nicht bestrahlten Kulturen waren die Konzentrationen von Interleukin 6 und Interleukin 8 unabhängig von der Strahlungsqualität nach Bestrahlung signifikant erhöht. Interleukin-1β dagegen wurde nur nach Röntgenbestrahlung signifikant vermehrt ausgeschüttet. In Schwerionen-bestrahlten Proben wurden zwar tendenziell höhere Konzentrationen beobachtet, statistische Signifikanzen ergaben sich aber nicht. Die Analysen zur TNF-α- und IFN-γ-Ausschüttung in bestrahlten organotypischen Kulturen ergaben innerhalb des gewählten Beobachtungszeitraums von 48 h keine strahlungsinduzierten Effekte. Bei den Untersuchungen der Proliferation in den Zellen der bestrahlten organotypischen Kulturen wurde bereits 24 h nach Röntgenstrahlung und 3 Tage nach Schwerionenstrahlung eine deutliche verminderte Proliferation beobachtet. Des Weiteren zeigte das Mundschleimhaut-Modell unabhängig von Strahlungsqualitäten einen eindeutigen Verlust in der Zellintegrität und daraus resultierenden Kompaktheitsverlust des Gewebes, was in der in vivo-Situation wahrscheinlich einer Gewebedegeneration entspricht. rnNach Bestrahlung mit sowohl Röntgenstrahlung als auch schweren Ionen wurden im gewählten Mukosa-Modell innerhalb von 48 h nach Behandlung strahlungsinduzierte proinflammatorische Marker eindeutig und reproduzierbar detektiert. Dies deutet darauf hin, dass während langer extraterrestrischer Expeditionen das Risiko der oralen Mukositis einkalkuliert und mit den daraus folgenden Konsequenzen gerechnet werden muss.rn

Proposal of a Continuous Read-out Implementation in the ALICE-TOF detector

The main purpose of ultrarelativistic heavy-ion collisions is the investigation of the QGP. The ALICE experiment situated at the CERN has been specifically designed to study heavy-ion collisions for centre-of-mass energies up to 5.5 per nucleon pair. Extended particle identification capability is one of the main characteristics of the ALICE experiment. In the intermediate momentum region (up to 2.5 GeV/c for pi/K and 4 GeV/c for K/p), charged particles are identified in the ALICE experiment by the Time of Flight (TOF) detector. The ALICE-TOF system is a large-area detector based on the use of Multi-gap Resistive Plate Chamber (MRPC) built with high efficiency, fast response and intrinsic time resolution better than 40 ps. This thesis work, developed with the ALICE-TOF Bologna group, is part of the efforts carried out to adapt the read-out of the detector to the new requirements after the LHC Long Shutdown 2. Tests on the feasibility of a new read-out scheme for the TOF detector have been performed. In fact, the achievement of a continuous read-out also for the TOF detector would not be affordable if one considers the replacement of the TRM cards both for hardware and budget reasons. Actually, the read-out of the TOF is limited at 250 kHz i.e. it would be able to collect up to just a fourth of the maximum collision rate potentially achievable for pp interactions. In this Master’s degree thesis work, I discuss a different read-out system for the ALICE-TOF detector that allows to register all the hits at the interaction rate of 1 MHz foreseen for pp interactions after the 2020, by using the electronics currently available. Such solution would allow the ALICE-TOF detector to collect all the hits generated by pp collisions at 1 MHz interaction rate, which corresponds to an amount four times larger than that initially expected at such frequencies with the triggered read-out system operated at 250 kHz for LHC Run 3. The obtained results confirm that the proposed read-out scheme is a viable option for the ALICE TOF detector. The results also highlighted that it will be advantageous if the ALICE-TOF group also implement an online monitoring system of noisy channels to allow their deactivation in real time.

From the chiral magnetic wave to the charge dependence of elliptic flow

The quark-gluon plasma formed in heavy ion collisions contains charged chiral fermions evolving in an external magnetic field. At finite density of electric charge or baryon number (resulting either from nuclear stopping or from fluctuations), the triangle anomaly induces in the plasma the Chiral Magnetic Wave (CMW). The CMW first induces a separation of the right and left chiral charges along the magnetic field; the resulting dipolar axial charge density in turn induces the oppositely directed vector charge currents leading to an electric quadrupole moment of the quark-gluon plasma. Boosted by the strong collective flow, the electric quadrupole moment translates into the charge dependence of the elliptic flow coefficients, so that $v_2(\pi^+) < v_2(\pi^-)$ (at positive net charge). Using the latest quantitative simulations of the produced magnetic field and solving the CMW equation, we make further quantitative estimates of the produced $v_2$ splitting and its centrality dependence. We compare the results with the available experimental data.

Adsorption interaction of carrier-free thallium species with gold and quartz surfaces

The adsorption interactions of thallium and its compounds with gold and quartz surfaces were investigated. Carrier-free amounts of thallium were produced in nuclear fusion reactions of alpha particles with thick gold targets. The method chosen for the studies was gas thermochromatography and varying the redox potential of the carrier gases. It was observed that thallium is extremely sensitive to trace amounts of oxygen and water, and can even be oxidized by the hydroxyl groups located on the quartz surface. The experiments on a quartz surface with O2, He, H2 gas in addition with water revealed the formation and deposition of only one thallium species – TlOH. The adsorption enthalpy was determined to be Δ HSiO2ads(TlOH) = −134 ± 5 kJ mol−1. A series of experiments using gold as stationary surface and different carrier gases resulted in the detection of two thallium species – metallic Tl (H2 as carrier gas) and TlOH (O2, O2+H2O and H2+H2O as pure carrier gas or carrier gas mixture) with Δ HAuads(Tl) = −270 ± 10 kJ mol− and Δ HAuads(TlOH) = −146 ± 3 kJ mol−1. These data demonstrate a weak interaction of TlOH with both quartz and gold surfaces. The data represent important information for the design of future experiments with the heavier homologue of Tl in group 13 of the periodic table – element 113 (E113).

Ultracold Quantum Gases and Lattice Systems: Quantum Simulation of Lattice Gauge Theories

Abelian and non-Abelian gauge theories are of central importance in many areas of physics. In condensed matter physics, AbelianU(1) lattice gauge theories arise in the description of certain quantum spin liquids. In quantum information theory, Kitaev’s toric code is a Z(2) lattice gauge theory. In particle physics, Quantum Chromodynamics (QCD), the non-Abelian SU(3) gauge theory of the strong interactions between quarks and gluons, is nonperturbatively regularized on a lattice. Quantum link models extend the concept of lattice gauge theories beyond the Wilson formulation, and are well suited for both digital and analog quantum simulation using ultracold atomic gases in optical lattices. Since quantum simulators do not suffer from the notorious sign problem, they open the door to studies of the real-time evolution of strongly coupled quantum systems, which are impossible with classical simulation methods. A plethora of interesting lattice gauge theories suggests itself for quantum simulation, which should allow us to address very challenging problems, ranging from confinement and deconfinement, or chiral symmetry breaking and its restoration at finite baryon density, to color superconductivity and the real-time evolution of heavy-ion collisions, first in simpler model gauge theories and ultimately in QCD.

Hot QCD vs cosmology

It is a long-standing dream to “simulate” cosmology in laboratory through heavy ion collision experiments. Although the QCD epoch itself may not leave major cosmological signatures, theoretical methods developed and tested in the context of heavy ion collision experiments could indeed find applications at other energy scales. Here recent progress in this spirit is reviewed.

Measurement of the jet radius and transverse momentum dependence of inclusive jet suppression in lead-lead collisions at sqrtsNN=2.76 TeV with the AT detector

Measurements of inclusive jet suppression in heavy ion collisions at the LHC provide direct sensitivity to the physics of jet quenching. In a sample of lead-lead collisions at root S-NN = 2.76 TeV corresponding to an integrated luminosity of approximately 7 mu b(-1), ATLAS has measured jets with a calorimeter system over the pseudorapidity interval vertical bar eta vertical bar < 2.1 and over the transverse momentum range 38 < pT <210 GeV. Jets were reconstructed using the anti-k(t) algorithm with values for the distance parameter that determines the nominal jet radius of R = 0.2, 0.3, 0.4 and 0.5. The centrality dependence of the jet yield is characterized by the jet "central-to-peripheral ratio," R-CP. Jet production is found to be suppressed by approximately a factor of two in the 10% most central collisions relative to peripheral collisions. R-CP varies smoothly with centrality as characterized by the number of participating nucleons. The observed suppression is only weakly dependent on jet radius and transverse momentum. These results provide the first direct measurement of inclusive jet suppression in heavy ion collisions and complement previous measurements of dijet transverse energy imbalance at the LHC.

Charm contribution to bulk viscosity

In the range of temperatures reached in future heavy ion collision experiments, hadronic pair annihilations and creations of charm quarks may take place within the lifetime of the plasma. As a result, charm quarks may increase the bulk viscosity affecting the early stages of hydrodynamic expansion. Assuming thermalisation, we estimate the charm contribution to bulk viscosity within the same effective kinetic theory framework in which the light parton contribution has been computed previously. The time scale at which this physics becomes relevant is related to the width of the transport peak associated with the trace anomaly correlator and is found to be ≲20 fm/c for T≳600 MeV.

NA61/SHINE facility at the CERN SPS: beams and detector system

NA61/SHINE (SPS Heavy Ion and Neutrino Experiment) is a multi-purpose experimental facility to study hadron production in hadron-proton, hadron-nucleus and nucleus-nucleus collisions at the CERN Super Proton Synchrotron. It recorded the first physics data with hadron beams in 2009 and with ion beams (secondary 7Be beams) in 2011. NA61/SHINE has greatly profited from the long development of the CERN proton and ion sources and the accelerator chain as well as the H2 beamline of the CERN North Area. The latter has recently been modified to also serve as a fragment separator as needed to produce the Be beams for NA61/SHINE. Numerous components of the NA61/SHINE set-up were inherited from its predecessors, in particular, the last one, the NA49 experiment. Important new detectors and upgrades of the legacy equipment were introduced by the NA61/SHINE Collaboration. This paper describes the state of the NA61/SHINE facility — the beams and the detector system — before the CERN Long Shutdown I, which started in March 2013.

Interstitial water chemistry at DSDP Leg 67 Holes

Interstitial water chemistry has proved to be a sensitive indicator for early diagenetic reactions, particularly those related to organic matter oxidation. Downhole chemical variations in the pore waters from Deep Sea Drilling Project Holes 496 and 497 on the Middle America Trench slope off Guatemala are anomalous because both salinity and chlorinity show strong decreases to half the values of seawater, and d18O values become positive (maximum of about +2.5% at the bottom of the holes). These observations are explained in terms of dilution of pore waters after retrieval as a result of decomposition of the gas hydrates before removal of pore waters by shipboard squeezing techniques. In all holes, except Hole 495 (drilled in pelagic sediments), decomposition of organic matter leads to rapid sulfate depletion and subsequent methane generation. Associated with methane generation are large increases in alkalinity and dissolved ammonia. The latter component causes ion exchange reactions with clay minerals, which results in maxima in magnesium and perhaps potassium. At greater depths, as yet unidentified reactions cause the removal of magnesium. Especially in the deeper Trench Sites 499 and 500, rapid variations in calcium, magnesium, and alkalinity occur in turbidite sequences.

Geochemical analysis of sediments and interstitial water in sediment cores from the North-West African continental margin and from the Central Pacific

A. Continental slope sediments off Spanish-Sahara and Senegal contain up to 4% organic carbon and up to 0.4% total nitrogen. The highest concentrations were found in sediments from water depths between 1000 and 2000 m. The regional and vertical distribution of organic matter differs significantly. Off Spanish-Sahara the organic matter content of sediment deposited during glacial times (Wuerm, Late Riss) is high whereas sediments deposited during interglacial times (Recent, Eem) are low in organic matter. Opposite distribution was found in sediments off Senegal. The sediments contain 30 to 130 ppm of fixed nitrogen. In most sediments this corresponds to 2-8 % of the total nitrogen. Only in sediments deposited during interglacial times off Spanish-Sahara up to 20 % of the total nitrogen is contained as inorganically bound nitrogen. Positive correlations of the fixed nitrogen concentrations to the amounts of clay, alumina, and potassium suggest that it is primarily fixed to illites. The amino acid nitrogen and hexosamine nitrogen account for 17 to 26 % and 1.3 to 2.4 %, respectively of the total nitrogen content of the sediments. The concentrations vary between 200 and 850 ppm amino acid nitrogen and 20 to 70 ppm hexosamine nitrogen, both parallel the fluctiations of organic matter in the sediment. Fulvic acids, humic acids, and the total organic matter of the sediments may be clearly differentiated from one another and their amino acid and hexosamine contents and their amino acid composition: a) Fulvic acids contain only half as much amino acids as humic acids b) The molar amino acid/hexosamine ratios of the fulvic acids are half those of the humic acids and the total organic matter of the sediment c) The amino acid spectra of fulvic acids are characterized by an enrichment of aspartic acid, alanine, and methionine sulfoxide and a depletion of glycine, valine, isoleucine, leucine, tyrosine, phenylalanine, lysine, and arginine compared to the spectra of the humic acids and those of the total organic matter fraction of the sediment. d) The amino acid spectra of the humic acids and those of the total organic matter fraction of the sediments are about the same with the exception that arginine is clearly enriched in the total organic matter. In general, as indicated by the amino compounds humic acids resemble closer the total organic matter composition than the low molecular fulvic acids do. This supports the general idea that during the course of diagenesis in reducing sediments organic matter stabilizes from a fulvic-like structure to humic-like structure and finally to kerogen. The decomposition rates of single aminio acids differ significantly from one another. Generally amino acids which are preferentially contained in humic acids and the total organic matter fraction show a smaller loss with time than those preferably well documented in case of the basic amino acids lysine and arginine which- although thermally unstable- are the most stable amino acids in the sediments. A favoured incorporation of these compounds into high molecular substances as well as into clay minerals may explain their relatively high "stability" in the sediment. The nitrogen loss from the sediments due to the activity of sulphate-reducing bacteria amounts to 20-40 % of the total organic nitrogen now present. At least 40 % of the organic nitrogen which is liberated by sulphate-reducing bacteria can be explained ny decomposition of amino acids alone. B. Deep-sea sediments from the Central Pacific The deep-seas sediments contain 1 to 2 orders of magnitude less organic matter than the continental slope sediments off NW Africa, i.e. 0.04 to 0.3 % organic carbon. The fixed nitrogen content of the deep-sea sediments ranges from 60 to 270 ppm or from 20 to 45 % of the total nitrogen content. While ammonia is the prevailing inorganic nitrogen compound in anoxic pore waters, nitrate predominates in the oxic environment of the deep-sea sediments. Near the sediment/water interface interstital nitrate concentrations of around 30 µg-at. N/l were recorded. These generally increase with sediment depth by 10 to 15 µg-at. NO3- N/l. This suggests the presence of free oxygen and the activity of nitrifying bacteria in the interstitial waters. The ammonia content of the interstitial water of the oxic deep-sea sediments ranges from 2 to 60 µg-at. N/l and thus is several orders of magnitude less than in anoxic sediments. In contrast to recorded nitrate gradients towards the sediments/water interface, there are no ammonia concentration gradients. However, ammonia concentrations appear to be characteristic for certain regional areas. It is suggested that this regional differentiation is caused by ion exchange reactions involving potassium and ammonium ions rather than by different decomposition rates of organic matter. C. C/N ratios All estimated C/N ratios of surface sediments vary between 3 and 9 in the deep-sea and the continental margin, respectively. Whereas the C/N ratios generally increase with depth in the sediment cores off NW Africa they decrease in the deep-sea cores. The lowest values of around 1.3 were found in the deeper sections of the deep-sea cores, the highest of around 10 in the sediments off NW Africa. The wide range of the C/N ratios as well as their opposite behaviour with increasing sediment depth in both the deep-sea and continental margin sediment cores, can be attributed mainly to the combination of the following three factors: 1. Inorganic and organic substances bound within the latticed of clay minerals tend to decrease the C/N ratios. 2. Organic matter not protected by absorption on the clay minerals tends to increase C/N ratios 3. Diagenetic alteration of organic matter by micro-organisms tends to increase C/N ratios through preferential loss of nitrogen The diagenetic changes of the microbially decomposable organic matter results in both oxic and anoxic environments in a preferential loss of nitrogen and hence in higher C/N ratios of the organic fraction. This holds true for most of the continental margin sediments off NW Africa which contain relatively high amounts of organic matter so that factors 2 and 3 predominate there. The relative low C/N ratios of the sediments deposited during interglacial times off Spanish-Sahara, which are low in organic carbon, show the increasing influence of factor 1 - the nitrogen-rich organic substances bound to clay minerals. In the deep-sea sediments from the Central Pacific this factor completely predominates so that the C/N rations of the sediments approach that of the substance absorbed to clay minerals with decreasing organic matter content. In the deeper core sections the unprotected organic matter has been completely destroyed so that the C/N ratios of the total sediments eventually fall into the same range as those of the pure clay mineral fraction.