Semiclassical evaluation of average nuclear one- and two-body matrix elements

Thomas-Fermi theory is developed to evaluate nuclear matrix elements averaged on the energy shell, on the basis of independent particle Hamiltonians. One- and two-body matrix elements are compared with the quantal results, and it is demonstrated that the semiclassical matrix elements, as function of energy, well pass through the average of the scattered quantum values. For the one-body matrix elements it is shown how the Thomas-Fermi approach can be projected on good parity and also on good angular momentum. For the two-body case, the pairing matrix elements are considered explicitly.

Relativistic ab initio calculations for ion-atom collisions

Within the independent particle model we solve the time-dependent single-particle equation using ab initio SCF-DIRAC-FOCK-SLATER wavefunctions as a basis. To reinstate the many-particle aspect of the collision system we use the inclusive probability formalism to answer experimental questions. As an example we show an application to the case of S{^15+} on Ar where experimental data on the K-K charge transfer are available for a wide range of impact energies from 4.7 to 90 MeV. Our molecular adiabatic calculations and the evaluation using the inclusive probability formalism show good results in the low energy range from 4.7 to 16 MeV impact energy.

Many-electron relativistic calculation and interpretation of atomic processes in time dependent heavy-ion scattering

The time dependence of a heavy-ion-atom collision system is solved via a set of coupled channel equations using energy eigenvalues and matrix elements from a self-consistent field relativistic molecular many-electron Dirac-Fock-Slater calculation. Within this independent particle model we give a full many-particle interpretation by performing a small number of single-particle calculations. First results for the P(b) curves for the Ne K-hole excitation for the systems F{^8+} - Ne and F{^6+} - Ne as examples are discussed.

Application of inclusive probability theory to heavy ion-atom collisions

Using the independent particle model as our basis we present a scheme to reduce the complexity and computational effort to calculate inclusive probabilities in many-electron collision system. As an example we present an application to K - K charge transfer in collisions of 2.6 MeV Ne{^9+} on Ne. We are able to give impact parameter-dependent probabilities for many-particle states which could lead to KLL-Auger electrons after collision and we compare with experimental values.

Mathematical model for NF-kappaB-driven proliferation of adult neural stem cells

Neural stem cells (NSCs) are early precursors of neuronal and glial cells. NSCs are capable of generating identical progeny through virtually unlimited numbers of cell divisions (cell proliferation), producing daughter cells committed to differentiation. Nuclear factor kappa B (NF-kappaB) is an inducible, ubiquitous transcription factor also expressed in neurones, glia and neural stem cells. Recently, several pieces of evidence have been provided for a central role of NF-kappaB in NSC proliferation control. Here, we propose a novel mathematical model for NF-kappaB-driven proliferation of NSCs. We have been able to reconstruct the molecular pathway of activation and inactivation of NF-kappaB and its influence on cell proliferation by a system of nonlinear ordinary differential equations. Then we use a combination of analytical and numerical techniques to study the model dynamics. The results obtained are illustrated by computer simulations and are, in general, in accordance with biological findings reported by several independent laboratories. The model is able to both explain and predict experimental data. Understanding of proliferation mechanisms in NSCs may provide a novel outlook in both potential use in therapeutic approaches, and basic research as well.

Surface spin disorder in nickel ferrite nanomagnets studied by in-field Mossbauer spectroscopy

The magnetic structure of NiFe(2)O(4) nanoparticles has been investigated by means of Mossbauer spectra at T=4.2 K in applied fields up to 12 T. Four samples were studied, with mean particle diameters ranging from 4.3 to 8.9 nm. All spectra could be decomposed into three sextets, two corresponding to the ferrimagnetic sublattices of Fe ions in the spinel structure (core) and the third one to randomly frozen spins near the particle surface (shell). The shell thickness, calculated from the fraction of disordered spins, was found to be about one-third of the particle radius at H (app)=e0 and to decrease with the applied field toward a common limit of similar to 0.4 nm. The mean canting angle relative to the field was also found to decrease for increasing fields, at a rate inversely correlated to the particle size.

Effective theory for trapped few-fermion systems

We apply the general principles of effective field theories to the construction of effective interactions suitable for few- and many-body calculations in a no-core shell model framework. We calculate the spectrum of systems with three and four two-component fermions in a harmonic trap. In the unitary limit, we find that three-particle results are within 10% of known semianalytical values even in small model spaces. The method is very general, and can be readily extended to other regimes, more particles, different species (e.g., protons and neutrons in nuclear physics), or more-component fermions (as well as bosons). As an illustration, we present calculations of the lowest-energy three-fermion states away from the unitary limit and find a possible inversion of parity in the ground state in the limit of trap size large compared to the scattering length. Furthermore, we investigate the lowest positive-parity states for four fermions, although we are limited by the dimensions we can currently handle in this case.

Neutron-neutron correlation in the halo dissociation of light exotic nuclei

We present model results for the two-halo-neutron correlation functions, C-nn, for the dissociation process of light exotic nuclei modelled as two neutrons and a core. A minimum is predicted for C-nn as a function of the relative momentum of the two neutrons, p(nn), due to the coherence of the neutrons in the halo and final state interaction. Studying the systems Be-14, Li-11, and He-6 within this model, we show that the numerical asymptotic limit, C-nn-> 1, occurs only for p(nn)greater than or similar to 400 MeV/c, while such limit is reached for much lower values of p(nn) in an independent particle model as the one used in the analysis of recent experimental data. Our model is consistent with data once the experimental correlation function is appropriately normalized.

Robust linear mixed models with normal/independent distributions and Bayesian MCMC implementation

Linear mixed effects models have been widely used in analysis of data where responses are clustered around some random effects, so it is not reasonable to assume independence between observations in the same cluster. In most biological applications, it is assumed that the distributions of the random effects and of the residuals are Gaussian. This makes inferences vulnerable to the presence of outliers. Here, linear mixed effects models with normal/independent residual distributions for robust inferences are described. Specific distributions examined include univariate and multivariate versions of the Student-t, the slash and the contaminated normal. A Bayesian framework is adopted and Markov chain Monte Carlo is used to carry out the posterior analysis. The procedures are illustrated using birth weight data on rats in a texicological experiment. Results from the Gaussian and robust models are contrasted, and it is shown how the implementation can be used for outlier detection. The thick-tailed distributions provide an appealing robust alternative to the Gaussian process in linear mixed models, and they are easily implemented using data augmentation and MCMC techniques.

Desenvolvimento de software utilizando a técnica sph (smoothed particle hydrodynamics) na geração de ondas de submersão

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

Resonant States in Negative Ions

Resonant states are multiply excited states in atoms and ions that have enough energy to decay by emitting an electron. The ability to emit an electron and the strong electron correlation (which is extra strong in negative ions) makes these states both interesting and challenging from a theoretical point of view. The main contribution in this thesis is a method, which combines the use of B splines and complex rotation, to solve the three-electron Schrödinger equation treating all three electrons equally. It is used to calculate doubly excited and triply excited states of 4S symmetry with even parity in He-. For the doubly excited states there are experimental and theoretical data to compare with. For the triply excited states there is only theoretical data available and only for one of the resonances. The agreement is in general good. For the triply excited state there is a significant and interesting difference in the width between our calculation and another method. A cause for this deviation is suggested. The method is also used to find a resonant state of 4S symmetry with odd parity in H2-. This state, in this extremely negative system, has been predicted by two earlier calculations but is highly controversial. Several other studies presented here focus on two-electron systems. In one, the effect of the splitting of the degenerate H(n=2) thresholds in H-, on the resonant states converging to this threshold, is studied. If a completely degenerate threshold is assumed an infinite series of states is expected to converge to the threshold. Here states of 1P symmetry and odd parity are examined, and it is found that the relativistic and radiative splitting of the threshold causes the series to end after only three resonant states. Since the independent particle model completely fails for doubly excited states, several schemes of alternative quantum numbers have been suggested. We investigate the so called DESB (Doubly Excited Symmetry Basis) quantum numbers in several calculations. For the doubly excited states of He- mentioned above we investigate one resonance and find that it cannot be assigned DESB quantum numbers unambiguously. We also investigate these quantum numbers for states of 1S even parity in He. We find two types of mixing of DESB states in the doubly excited states calculated. We also show that the amount of mixing of DESB quantum numbers can be inferred from the value of the cosine of the inter-electronic angle. In a study on Li- the calculated cosine values are used to identify doubly excited states measured in a photodetachment experiment. In particular a resonant state that violates a propensity rule is found.

108 Sn studied with intermediate-energy Coulomb excitation

In dieser Arbeit wurde der instabile, Neutronenarme Kern 108Sn mit Hilfe der Coulomb-Anregung bei intermediaeren Energien in inverser Kinematik studiert. Diese Methode wurde bisher zur Untersuchung der ersten angeregten 2+ Zustaende und deren E2 Zerfallsraten in Kernen mit Kernladungszahl Z< 30 angewendet. 108Sn ist somit der Kern mit der groeßten Kernladungszahl, bei dem diese Studien bisher stattfanden. Das Ziel dieses Experiments war die Messung der unbekannten reduzierten Uebergangswahrscheinlichkeit B(E2,0+ -> 2+). Der B(E2)-Wert von 0.230(57) e2b2 wurde relativ zu dem bekannten Wert des Isotops 112Sn bestimmt. Das Experiment wurde an der GSI Darmstadt mit Hilfe des RISING Detektors und des Fragmentseperators (FRS) durchgefuehrt. Sekundaere Strahlen (108Sn, 112Sn) mit einer Energie von ca. 150 MeV pro Nukleon wurden auf ein 386 mg/cm2 dickes 197Au Target geschossen. Die Projektilfragmente wurden mit Hilfe des Fragmentseparators selektiert und identifiziert. Zur Selektion des Reaktionskanals und zur Bestimmung des Winkels der gestreuten Fragmente wurde das Teilchenteleskop CATE, das sich hinter dem Target befand, verwendet. Gammastrahlung, die in Koinzidenz mit den Projektilrestkernen emittiert wurde, wurde in den Germanium-Cluster Detektoren des RISING Detektors nachgewiesen. Der gemessene B(E2,0+ -> 2+)-Wert von 108Sn ist in Uebereinstimmung mit neueren Schalenmodellrechnungen, die auf realistischen effektiven Wechselwirkungen basieren und im Rahmen eines verallgemeinerten Seniorit¨ats-Schemas erklaert werden.

Synthese von grenzflächenaktiven Monomeren zur Herstellung von funktionalen Metall-Chalkogenid,Polymer-Hybridnanopartikeln

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie oberflächenfunktionalisierte Polystyrolnanopartikel zur Herstellung von Metallchalkogenid/Polymer-Hybridnanopartikeln eingesetzt werden können. Dazu wurden zunächst phosphonsäure- und phosphorsäurefunktionalisierte Surfmere synthetisiert, die anschließend bei der Miniemulsionspolymerisation von Styrol verwendet wurden. Die Surfmere dienten dabei zugleich zur Stabilisierung und als Comonomer. Die oberflächenfunktionalisierten Polystyrolnanopartikel wurden anschließend als Trägerpartikel für die Kristallisation von Metalloxiden eingesetzt. Dabei wurden Metalloxid/Polymer-Hybridnanopartikel mit einer „himbeerartigen“ Morphologie erhalten. Um die vielseitige Modifizierbarkeit der phosphonat- und phosphat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel zu demonstrieren, wurden Cer-, Eisen- sowie Zinkoxid auf der Partikeloberfläche kristallisiert. Dazu wurden sowohl wässrige als auch alkoholische Metalloxid-Präkursorlösungen eingesetzt. Die synthetisierten Metall¬oxid/Polymer-Hybridpartikel wurden detailliert mit REM, TEM und PXRD analysiert. Die Untersuchung des Kristallisationsmechanismus hatte erwiesen, dass die komplexierten Metallkationen auf der Partikeloberfläche als Nukleationszentren wirkten und die Zutropfrate des Fällungsreagenz entscheidend für die Oberflächenkristallisation ist. Durch Mischungsexperimente von Metalloxidnanopartikeln und den oberflächen¬funktionalisierten Polymerpartikeln konnte die Hybridpartikelbildung über Hetero¬koagulation ausgeschlossen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Polarität der funktionellen Gruppe über die Stärke der Komplexierung der Metalloxid-Präkursor bestimmt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Erklärung der kolloidalen Stabilisierung der Metalloxid/Polymer-Hybridsysteme aufgestellt und ein Zusammenhang zwischen dem gemessenen Zeta-Potential und der Oberflächenbedeckung der Polymerpartikel durch Metalloxid gefunden. Mit der Methode der Oberflächenkristallisation konnten frühe Stadien der Nukleation auf der Partikeloberfläche fixiert werden. Weiterhin wurden die individuellen physikalisch-chemischen Eigenschaften der hergestellten Metall¬oxid/Polymer-Hybridnano¬partikel untersucht. Dabei zeigten die CeO2/Polymer-Hybridpartikel eine hohe katalytische Aktivität bezüglich der photokatalytischen Oxidation von Rhodamin B, die als Modellreaktion durchgeführt wurde. Des Weiteren wurde die Magnetisierung der Magnetit/Polymer-Hybridpartikel gemessen. Die Fe3O4-Hybrid¬partikelsysteme wiesen eine vergleichbare Sättigungsmagnetisierung auf. Die Zinkoxid/Polymer-Hybridsysteme zeigten eine starke Lumineszenz im sichtbaren Bereich bei Anregung mit UV-Licht. Die Metalloxid/Polymer-Hybridpartikel, die mit den phosphonat- oder phosphatfunktion¬alisierten Polystyrolpartikeln hergestellt wurden, zeigten keine signifikanten Unterschiede in ihren physikochemischen Eigenschaften. Im Allgemeinen lässt sich schlussfolgern, dass sowohl Phosphonat- als auch Phosphatgruppen gleichermaßen für die Oberflächenkristallisation von Metalloxiden geeignet sind. Die Zink¬oxid/Polymer-Hybridsysteme stellen eine Ausnahme dar. Die Verwendung der phosphonat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel führte zur Entstehung einer Zinkhydroxidphase, die neben der Zinkoxidphase gebildet wurde. Aufgrund dessen zeigten die ZnO/RPO3H2-Hybridpartikel eine geringere Lumineszenz im sichtbaren Bereich als die ZnO/RPO4H2-Hybridsysteme.rnDie Erkenntnisse, die bei der Oberflächenkristallisation von Metalloxiden gewonnen wurden, konnten erfolgreich auf Cadmiumsulfid übertragen werden. Dabei konnte Cadmiumsulfid auf der Oberfläche von phosphonatfunktionalisierten Polystyrolpartikeln kristallisiert werden. Mit Hilfe des RPO3H2-Surfmers konnten phosphonatfunktion¬alisierte Polystyrolpartikel mit superparamagnetischem Kern synthetisiert werden, die zur Herstellung von multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikeln mit Magnetitkern verwendet wurden. Die Kristallphase und die Oberflächenbedeckung der multi¬funktionalen Hybridsysteme wurden mit den CdS/Polymer-Hybridsystemen ohne magnetischen Kern verglichen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass in beiden Fällen Cadmiumsulfid in der Greenockit-Modifikation gebildet wurde. Die multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikel mit superparamagnetischem Kern konnten sowohl mit einem optischen als auch einem magnetischen Stimulus angeregt werden.rnrn

Kollineare Laserspektroskopie an radioaktiven Praseodymionen und Cadmiumatomen

Die Analyse optischer Spektren liefert einen kernmodellunabhängigen Zugang zur Bestimmung der Kernspins, Ladungsradien und elektromagnetischen Momente von Atomkernen im Grundzustand und von langlebigen Isomeren. Eine der vielseitigsten Methoden zur optischen Spektroskopie an kurzlebigen Isotopen ist die kollineare Laserspektroskopie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zum einen die TRIGA-LASER Strahlstrecke am Institut für Kernchemie der Universität Mainz durch die Implementierung einer neuen offline Oberflächenionenquelle für hohe Verdampfungstemperaturen und eines Strahlanalysesystems weiterentwickelt. Zum anderen wurde kollineare Laserspektroskopie an kurzlebigen Praseodym- und Cadmiumisotopen an ISOLDE/CERN durchgeführt. Die neue Ionenquelle ermöglichte dabei den Test der kollinearen Laserspektroskopie an Praseodymionen am TRIGA-LASER Experiment. Die Spektroskopie der Prasdeodymionen motivierte sich aus der Beobachtung einer zeitlichen Modulation der EC-Zerfallsrate von wasserstoffähnlichem 140Pr58+. Für die Erklärung dieser sogenannten GSI Oszillationen wird unter anderem das magnetische Moment des Kerns benötigt, welches bislang noch nicht experimentell bestimmt wurde. Zudem wurde für wasserstoffähnliches 140Pr58+ überraschenderweise eine kleinere EC-Zerfallskonstante gemessen als für heliumähnliches 140Pr57+. Die Erklärung dieses Phänomens setzt ein positives magnetisches Moment voraus. Bei der Spektroskopie am COLLAPS Experiment wurden erstmals die magnetischen Momente von 135Pr, 136Pr und 137Pr vermessen. Aufgrund zu geringer Produktionsraten war die Spektroskopie des gewünschten Isotops 140Pr jedoch nicht erfolgreich. Die Untersuchung der Cadmiumisotope ist kernphysikalisch motiviert. In der Zinnregion erstrecken sich die Isotope über die beiden magischen Zahlen N=50 und N=82 bei gleichzeitiger Nähe des Z=50 Schalenabschlusses. Hier können verschiedene Kernmodelle getestet werden, die sich beispielsweise hinsichtlich der Stärke des N=82 Schalenabschlusses widersprechen. Diese Arbeit berichtet über erste Ergebnisse der Spektroskopie an Cadmiumatomen, die sich über die Isotope 106−124,126Cd sowie die zugehörigen langlebigen I=11/2− Isomere erstreckt. Die zuvor experimentell bekannten oder aus dem erweiterten Schalenmodell abgeleiteten Kernspins konnten für alle Isotope bis auf 119Cd bestätigt werden. Der Kernspin von 119Cd wurde eindeutig zu I=1/2 bestimmt. Die elektrischen Quadrupolmomente der Isomere zeigen ein bemerkenswert lineares Verhalten in Abhängigkeit von der Neutronenzahl und dies über die eigentliche Kapazität der 1h11/2 Unterschale hinaus. Die Änderungen der mittleren quadratischen Ladungsradien zeigen den auch an Indium- und Zinnisotopen beobachteten stetigen Verlauf. Der lineare Anteil passt sehr gut zu den Berechnung des Tröpfchenmodells in der Parametrisierung nach Berchidevsky und Tondeur. Die Differenzen der mittleren quadratischen Ladungsradien zwischen Grund- und isomeren Zustand der ungeraden Cadmiumisotope zeigen einen interessanten parabolischen Verlauf mit einem Minimum zwischen A=117 und A=119.

Finite Element Modeling of Shell Shape in the Freshwater Turtle Pseudemys concinna Reveals a Trade-Off between Mechanical Strength and Hydrodynamic Efficiency

Aquatic species can experience different selective pressures on morphology in different flow regimes. Species inhabiting lotic regimes often adapt to these conditions by evolving low-drag (i.e., streamlined) morphologies that reduce the likelihood of dislodgment or displacement. However, hydrodynamic factors are not the only selective pressures influencing organismal morphology and shapes well suited to flow conditions may compromise performance in other roles. We investigated the possibility of morphological trade-offs in the turtle Pseudemys concinna. Individuals living in lotic environments have flatter, more streamlined shells than those living in lentic environments; however, this flatter shape may also make the shells less capable of resisting predator-induced loads. We tested the idea that ‘‘lotic’’ shell shapes are weaker than ‘‘lentic’’ shell shapes, concomitantly examining effects of sex. Geometric morphometric data were used to transform an existing finite element shell model into a series of models corresponding to the shapes of individual turtles. Models were assigned identical material properties and loaded under identical conditions, and the stresses produced by a series of eight loads were extracted to describe the strength of the shells. ‘‘Lotic’’ shell shapes produced significantly higher stresses than ‘‘lentic’’ shell shapes, indicating that the former is weaker than the latter. Females had significantly stronger shell shapes than males, although these differences were less consistent than differences between flow regimes. We conclude that, despite the potential for many-to-one mapping of shell shape onto strength, P. concinna experiences a trade-off in shell shape between hydrodynamic and mechanical performance. This trade-off may be evident in many other turtle species or any other aquatic species that also depend on a shell for defense. However, evolution of body size may provide an avenue of escape from this trade-off in some cases, as changes in size can drastically affect mechanical performance while having little effect on hydrodynamic performance.