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

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

Messung der B s-Oszillation mit dem semileptonischen Zerfall B 0 s D - s (phi pi -) my + ny my mit dem D0-Detektor

Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik beschreibt sehr präzise die fundamentalen Bausteine und deren Wechselwirkungen (WW). Trotz des Erfolges gibt es noch offene Fragen, die vom SM nicht beantwortet werden können. Ein noch noch nicht abgeschlossener Test besteht aus der Messung der Stärke der schwachen Kopplung zwischen Quarks. Neutrale B- bzw. $bar{B}$-Mesonen können sich innerhalb ihrer Lebensdauer über einen Prozeß der schwachen WW in ihr Antiteilchen transformieren. Durch die Messung der Bs-Oszillation kann die Kopplung Vtd zwischen den Quarksorten Top (t) und Down (d) bestimmt werden. Alle bis Ende 2005 durchgeführten Experimente lieferten lediglich eine untere Grenze für die Oszillationsfrequenz von ms>14,4ps-1. Die vorliegenden Arbeit beschreibt die Messung der Bs-Oszillationsfrequenz ms mit dem semileptonischen Kanal BsD(-)+. Die verwendeten Daten stammen aus Proton-Antiproton-Kollisionen, die im Zeitraum von April 2002 bis März 2006 mit dem DØ-Detektor am Tevatron-Beschleuniger des Fermi National Accelerator Laboratory bei einer Schwerpunktsenergie von $sqrt{s}$=1,96TeV aufgezeichnet wurden. Die verwendeten Datensätze entsprechen einer integrierten Luminosität von 1,3fb-1 (620 millionen Ereignisse). Für diese Oszillationsmessung wurde der Quarkinhalt des Bs-Mesons zur Zeit der Produktion sowie des Zerfalls bestimmt und die Zerfallszeit wurde gemessen. Nach der Rekonstruktion und Selektion der Signalereignisse legt die Ladung des Myons den Quarkinhalt des Bs-Mesons zur Zeit des Zerfalls fest. Zusätzlich wurde der Quarkinhalt des Bs-Mesons zur Zeit der Produktion markiert. b-Quarks werden in $pbar{p}$-Kollisionen paarweise produziert. Die Zerfallsprodukte des zweiten b-Hadrons legen den Quarkinhalt des Bs-Mesons zur Zeit der Produktion fest. Bei einer Sensitivität von msenss=14,5ps-1 wurde eine untere Grenze für die Oszillationsfrequenz ms>15,5ps-1 bestimmt. Die Maximum-Likelihood-Methode lieferte eine Oszillationsfrequenz ms>(20+2,5-3,0(stat+syst)0,8(syst,k))ps-1 bei einem Vertrauensniveau von 90%. Der nicht nachgewiesene Neutrinoimpuls führt zu dem systematischen Fehler (sys,k). Dieses Resultat ergibt zusammen mit der entsprechenden Oszillation des Bd-Mesons eine signifikante Messung der Kopplung Vtd, in Übereinstimmung mit weiteren Experimenten über die schwachen Quarkkopplungen.

Construction and commissioning of a collinear laser spectroscopy setup at TRIGA Mainz and laser spectroscopy of magnesium isotopes at ISOLDE (CERN)

Collinear laser spectroscopy has been used as a tool for nuclear physics for more than 30 years. The unique possibility to extract nuclear properties like spins, radii and nuclear moments in a model-independent manner leads to important physics results to test the predictive power of existing nuclear models. rnThis work presents the construction and the commissioning of a new collinear laser spectroscopy experiment TRIGA-LASER as a part of the TRIGA-SPEC facility at the TRIGA research reactor at the University of Mainz. The goal of the experiment is to study the nuclear structure of radioactive isotopes which will be produced by neutron-induced fission near the reactor core and transported to an ion source by a gas jet system. rnThe versatility of the collinear laser spectroscopy technique will be exploited in the second part of this thesis. The nuclear spin and the magnetic moment of the neutron-deficient isotope Mg-21 will be presented, which were measured by the detection of the beta-decay asymmetry induced by nuclear polarization after optical pumping. A combination of this detection method with the classical fluorescence detection is then used to determine the isotope shifts of the neutron-rich magnesium isotopes from Mg-24 through Mg-32 to study the transition to the ''island of inversion''.

Formfaktor-Bestimmung des semileptonischen K +- pi 0 my +- ny-Zerfalls mit dem NA48/2-Experiment

Der semileptonische Zerfall K^±→π^0 μ^± υ ist ein geeigneter Kanal zur Be-stimmung des CKM-Matrixelementes 〖|V〗_us |. Das hadronische Matrixelement dieses Zerfalls wird durch zwei dimensionslose Formfaktoren f_± (t) beschrieben. Diese sind abhängig vom Impulsübertrag t=〖(p_K-p_π)〗^2 auf das Leptonpaar. Zur Bestimmung von 〖|V〗_us | dienen die Formfaktoren als wichtige Parameter zur Berechnung des Phasenraumintegrals dieses Zerfalls. Eine präzise Messung der Formfaktoren ist zusätzlich dadurch motiviert, dass das Resultat des NA48-Experimentes von den übrigen Messungen der Experimente KLOE, KTeV und ISTRA+ abweicht. Die Daten einer Messperiode des NA48/2 -Experimentes mit offenem Trigger aus dem Jahre 2004 wurden analysiert. Daraus wählte ich 1.8 Millionen K_μ3^±-Zerfallskandidaten mit einem Untergrundanteil von weniger als 0.1% aus. Zur Bestimmung der Formfaktoren diente die zweidimensionale Dalitz-Verteilung der Daten, nachdem sie auf Akzeptanz des Detektors und auf radiative Effekte korrigiert war. An diese Verteilung wurde die theoretische Parameter-abhängige Funktion mit einer Chiquadrat-Methode angepasst. Es ergeben sich für quadratische, Pol- und dispersive Parametrisierung folgende Formfaktoren: λ_0=(14.82±〖1.67〗_stat±〖0.62〗_sys )×〖10〗^(-3) λ_+^'=(25.53±〖3.51〗_stat±〖1.90〗_sys )×〖10〗^(-3) λ_+^''=( 1.40±〖1.30〗_stat±〖0.48〗_sys )×〖10〗^(-3) m_S=1204.8±〖32.0〗_stat±〖11.4〗_(sys ) MeV/c^2 m_V=(877.4±〖11.1〗_stat±〖11.2〗_(sys ) MeV/c^2 LnC=0.1871±〖0.0088〗_stat±〖0.0031〗_(sys )±=〖0.0056〗_ext Λ_+=(25.42±〖0.73〗_stat±〖0.73〗_(sys )±=〖1.52〗_ext )×〖10〗^(-3) Die Resultate stimmen mit den Messungen der Experimente KLOE, KTeV und ISTRA+ gut überein, und ermöglichen eine Verbesserung des globalen Fits der Formfaktoren. Mit Hilfe der dispersiven Parametrisierung der Formfaktoren, unter Verwendung des Callan-Treiman-Theorems, ist es möglich, einen Wert für f_± (0) zu bestimmen. Das Resultat lautet: f_+ (0)=0.987±〖0.011〗_(NA48/2)±〖0.008〗_(ext ) Der für f_+ (0) berechnete Wert stimmt im Fehler gut mit den vorherigen Messungen von KTeV, KLOE und ISTRA+ überein, weicht jedoch um knapp zwei Standardabweichungen von der theoretischen Vorhersage ab.

The MSSM with a softly broken U(2)^3 flavor symmetry

In this article we review the phenomenological consequences of radiative flavor-violation (RFV) in the MSSM. In the model under consideration the U(3)^3 flavor symmetry of the gauge sector is broken in a first step to U(2)^3 by the top and bottom Yukawa couplings of the superpotential (and possibly also by the bilinear SUSY-breaking terms). In a second step the remaining U(2)^3 flavor symmetry is softly broken by the trilinear A-terms in order to obtain the measured quark masses and the CKM matrix of the Standard Model (SM) at low energies. The phenomenological implications of this model depend on the actual choice of the SUSY breaking A-terms. If the CKM matrix is generated in the down sector (by A^d), Bs->mu^+mu^- receives non-decoupling contributions from Higgs penguins which become important already for moderate values of tan(beta). Also the Bs mixing amplitude can be significantly modified compared to the SM prediction including a potential induction of a new CP-violating phase (which is not possible in the MSSM with MFV).

Review of lattice results concerning low-energy particle physics

We review lattice results related to pion, kaon, D- and B-meson physics with the aim of making them easily accessible to the particle-physics community. More specifically, we report on the determination of the lightquark masses, the form factor f+(0), arising in semileptonic K → π transition at zero momentum transfer, as well as the decay-constant ratio fK / fπ of decay constants and its consequences for the CKM matrix elements Vus and Vud. Furthermore, we describe the results obtained on the lattice for some of the low-energy constants of SU(2)L × SU(2)R and SU(3)L×SU(3)R Chiral Perturbation Theory and review the determination of the BK parameter of neutral kaon mixing. The inclusion of heavy-quark quantities significantly expands the FLAG scope with respect to the previous review. Therefore, we focus here on D- and B-meson decay constants, form factors, and mixing parameters, since these are most relevant for the determination of CKM matrix elements and the global CKM unitarity-triangle fit. In addition we review the status of lattice determinations of the strong coupling constant αs.

Fast-timing study of the l-forbidden 1/2(+) -> 3/2(+) M1 transition in Sn-129

The levels in Sn-129 populated from the beta(-) decay of In-129 isomers were investigated at the ISOLDE facility of CERN using the newly commissioned ISOLDE Decay Station (IDS). The lowest 1/2(+) state and the 3/2(+) ground state in 129Sn are expected to have configurations dominated by the neutron s(1/2) (l = 0) and d(3/2) (l = 2) single-particle states, respectively. Consequently, these states should be connected by a somewhat slow l-forbidden M1 transition. Using fast-timing spectroscopy we havemeasured the half-life of the 1/2(+) 315.3-keV state, T-1/2 = 19(10) ps, which corresponds to a moderately fast M1 transition. Shell-model calculations using the CD-Bonn effective interaction, with standard effective charges and g factors, predict a 4-ns half-life for this level. We can reconcile the shell-model calculations to the measured T-1/2 value by the renormalization of the M1 effective operator for neutron holes.

Aplicação do método de Monte Carlo no estudo da padronização de radionuclídeos com esquema de desintegração complexos em sistema de coincidencias 4-pi-beta-gama

Tese (Doutoramento)

Measurement of CP violation with $B^0_{(s)} \to h^+ h^{\prime-}$ decays, $|V_{cb}|$ with $B^0_{s}\to D^{(*)-}_s \mu^+ \nu_\mu$ decays, and simulation and characterisation of the LHCb Upgrade II ECAL

The time-dependent CP asymmetries of the $B^0\to\pi^+\pi^-$ and $B^0_s\toK^+K^-$ decays and the time-integrated CP asymmetries of the $B^0\toK^+\pi^-$ and $B^0_s\to\pi^+K^-$ decays are measured, using the $p-p$ collision data collected with the LHCb detector and corresponding to the full Run2. The results are compatible with previous determinations of these quantities from LHCb, except for the CP-violation parameters of the $B^0_s\to K^+K^-$ decays, that show a discrepancy exceeding 3 standard deviations between different data-taking periods. The investigations being conducted to understand the discrepancy are documented. The measurement of the CKM matrix element $|V_{cb}|$ using $B^0_{s}\to D^{(*)-}_s\mu^+ \nu_\mu$ is also reported, using the $p-p$ collision data collected with the LHCb detector and corresponding to the full Run1. The measurement leads to $|V_{cb}| = (41.4\pm0.6\pm0.9\pm1.2)\times 10^{-3}$, where the first uncertainty is statistical, the second is systematic, and the third is due to external inputs. This measurement is compatible with the world averages and constitutes the first measurement of $|V_{cb}|$ at a hadron collider and the absolute first one with decays of the $B^0_s$ meson. The analysis also provides the very first measurements of the branching ratio and form factors parameters of the signal decay modes. The study of the characteristics ruling the response of an electromagnetic calorimeter (ECAL) to profitably operate in the high luminosity regime foreseen for the Upgrade2 of LHCb is reported in the final part of this Thesis. A fast and flexible simulation framework is developed to this purpose. Physics performance of different configurations of the ECAL are evaluated using samples of fully simulated $B^0\to \pi^+\pi^-\pi^0$ and $B^0\to K^{*0}e^+e^-$ decays. The results are used to guide the development of the future ECAL and are reported in the Framework Technical Design Report of the LHCb Upgrade2 detector.

The gross theory model for neutrino-nucleus cross-section

The nuclear gross theory, originally formulated by Takahashi and Yamada (1969 Prog. Theor. Phys. 41 1470) for the beta-decay, is applied to the electronic-neutrino nucleus reactions, employing a more realistic description of the energetics of the Gamow-Teller resonances. The model parameters are gauged from the most recent experimental data, both for beta(-)-decay and electron capture, separately for even-even, even-odd, odd-odd and odd-even nuclei. The numerical estimates for neutrino-nucleus cross-sections agree fairly well with previous evaluations done within the framework of microscopic models. The formalism presented here can be extended to the heavy nuclei mass region, where weak processes are quite relevant, which is of astrophysical interest because of its applications in supernova explosive nucleosynthesis.

A two-Higgs doublet model with remarkable CP properties

We analyze generalized CP symmetries of two-Higgs doublet models, extending them from the scalar to the fermion sector of the theory. We show that, other than the usual CP transformation, there is only one of those symmetries which does not imply massless charged fermions. That single model which accommodates a fermionic mass spectrum compatible with experimental data possesses a remarkable feature. Through a soft breaking of the symmetry it displays a new type of spontaneous CP violation, which does not occur in the scalar sector responsible for the symmetry breaking mechanism but, rather, in the fermion sector.

Leptonic CP violation

Several topics on CP violation in the lepton sector are reviewed. A few theoretical aspects concerning neutrino masses, leptonic mixing, and CP violation will be covered, with special emphasis on seesaw models. A discussion is provided on observable effects which are manifest in the presence of CP violation, particularly, in neutrino oscillations and neutrinoless double beta decay processes, and their possible implications in collider experiments such as the LHC. The role that leptonic CP violation may have played in the generation of the baryon asymmetry of the Universe through the mechanism of leptogenesis is also discussed.

Spontaneous leptonic CP violation and nonzero theta(13)

We consider a simple extension of the Standard Model by adding two Higgs triplets and a complex scalar singlet to its particle content. In this framework, the CP symmetry is spontaneously broken at high energies by the complex vacuum expectation value of the scalar singlet. Such a breaking leads to leptonic CP violation at low energies. The model also exhibits an A(4) X Z(4) flavor symmetry which, after being spontaneously broken at a high-energy scale, yields a tribimaximal pattern in the lepton sector. We consider small perturbations around the tribimaximal vacuum alignment condition in order to generate nonzero values of theta(13), as required by the latest neutrino oscillation data. It is shown that the value of theta(13) recently measured by the Daya Bay Reactor Neutrino Experiment can be accommodated in our framework together with large Dirac-type CP violation. We also address the viability of leptogenesis in our model through the out-of-equilibrium decays of the Higgs triplets. In particular, the CP asymmetries in the triplet decays into two leptons are computed and it is shown that the effective leptogenesis and low-energy CP-violating phases are directly linked.

Leptogenesis, CP violation and neutrino data: what can we learn?

A detailed analytic and numerical study of baryogenesis through leptogenesis is performed in the framework of the standard model of electroweak interactions extended by the addition of three right-handed neutrinos, leading to the seesaw mechanism. We analyze the connection between GUT-motivated relations for the quark and lepton mass matrices and the possibility of obtaining a viable leptogenesis scenario. In particular, we analyze whether the constraints imposed by SO(10) GUTs can be compatible with all the available solar, atmospheric and reactor neutrino data and, simultaneously, be capable of producing the required baryon asymmetry via the leptogenesis mechanism. It is found that the Just-So(2) and SMA solar solutions lead to a viable leptogenesis even for the simplest SO(10) GUT, while the LMA, LOW and VO solar solutions would require a different hierarchy for the Dirac neutrino masses in order to generate the observed baryon asymmetry. Some implications on CP violation at low energies and on neutrinoless double beta decay are also considered. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.