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.

Imaging spin-filter efficiency of W(001) and Ir(001) single crystals

Während der letzten Jahre wurde für Spinfilter-Detektoren ein wesentlicher Schritt in Richtung stark erhöhter Effizienz vollzogen. Das ist eine wichtige Voraussetzung für spinaufgelöste Messungen mit Hilfe von modernen Elektronensp ektrometern und Impulsmikroskopen. In dieser Doktorarbeit wurden bisherige Arbeiten der parallel abbildenden Technik weiterentwickelt, die darauf beruht, dass ein elektronenoptisches Bild unter Ausnutzung der k-parallel Erhaltung in der Niedrigenergie-Elektronenbeugung auch nach einer Reflektion an einer kristallinen Oberfläche erhalten bleibt. Frühere Messungen basierend auf der spekularen Reflexion an einerrnW(001) Oberfläche [Kolbe et al., 2011; Tusche et al., 2011] wurden auf einenrnviel größeren Parameterbereich erweitert und mit Ir(001) wurde ein neues System untersucht, welches eine sehr viel längere Lebensdauer der gereinigten Kristalloberfläche im UHV aufweist. Die Streuenergie- und Einfallswinkel-“Landschaft” der Spinempfindlichkeit S und der Reflektivität I/I0 von gestreuten Elektronen wurde im Bereich von 13.7 - 36.7 eV Streuenergie und 30◦ - 60◦ Streuwinkel gemessen. Die dazu neu aufgebaute Messanordnung umfasst eine spinpolarisierte GaAs Elektronenquellernund einen drehbaren Elektronendetektor (Delayline Detektor) zur ortsauflösenden Detektion der gestreuten Elektronen. Die Ergebnisse zeigen mehrere Regionen mit hoher Asymmetrie und großem Gütefaktor (figure of merit FoM), definiert als S2 · I/I0. Diese Regionen eröffnen einen Weg für eine deutliche Verbesserung der Vielkanal-Spinfiltertechnik für die Elektronenspektroskopie und Impulsmikroskopie. Im praktischen Einsatz erwies sich die Ir(001)-Einkristalloberfläche in Bezug auf längere Lebensdauer im UHV (ca. 1 Messtag), verbunden mit hoher FOM als sehr vielversprechend. Der Ir(001)-Detektor wurde in Verbindung mit einem Halbkugelanalysator bei einem zeitaufgelösten Experiment im Femtosekunden-Bereich am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY eingesetzt. Als gute Arbeitspunkte erwiesen sich 45◦ Streuwinkel und 39 eV Streuenergie, mit einer nutzbaren Energiebreite von 5 eV, sowie 10 eV Streuenergie mit einem schmaleren Profil von < 1 eV aber etwa 10× größerer Gütefunktion. Die Spinasymmetrie erreicht Werte bis 70 %, was den Einfluss von apparativen Asymmetrien deutlich reduziert. Die resultierende Messungen und Energie-Winkel-Landschaft zeigt recht gute Übereinstimmung mit der Theorie (relativistic layer-KKR SPLEED code [Braun et al., 2013; Feder et al.,rn2012])

Parity violating asymmetry in the electron deuteron quasielastic scattering, strange vector and axial vector form factors and beam normal spin asymmetries

In dieser Arbeit wurde die paritätsverletzende Asymmetrie in derrnquasielastischen Elektron-Deuteron-Streuung bei Q^2=0.23 (GeV/c)^2 mitrneinem longitudinal polarisierten Elektronstrahl bei einer Energie von 315rnMeV bestimmt. Die Messung erfolgte unter Rückwärtswinkeln. Der Detektor überdeckte einen polaren Streuwinkelbereichrnzwischen 140 und 150 deg. Das Target bestand aus flüssigemrnDeuterium in einer Targetzelle mit einer Länge von 23.4 cm. Dierngemessene paritätsverletzende Asymmetrie beträgt A_{PV}^d = (-20.11 pm 0.87_{stat} pm 1.03_{syst}), wobei der erste Fehler den statistischenrnFehlereitrag und der zweite den systematischen Fehlerbeitrag beschreibt. Ausrnder Kombination dieser Messung mit Messungen der paritätsverletzendenrnAsymmetrie in der elastischen Elektron-Proton-Streuung bei gleichem Q^2rnsowohl bei Vorwärts- als auch bei Rückwärtsmessungen können diernVektor-Strange-Formfaktoren sowie der effektive isovektorielle und isoskalarernVektorstrom des Protons, der die elektroschwachen radiativen Anapolkorrekturenrnenthält, bestimmt werden. Diese Arbeit umfasst ausserdem die Bestimmungrnder Asymmetrien bei einem transversal polarisierten Elektronstrahl sowohl beirneinem Proton- als auch einem Deuterontarget unter Rückwärtswinkeln beirnImpulsüberträgen von Q^2=0.10 (GeV/c)^2, Q^2=0.23 (GeV/c)^2rnund Q^2=0.35 (GeV/c)^2. Die im Experiment beobachteten Asymmetrien werdenrnmit theoretischen Berechnungen verglichen, welche den Imaginärteil der Zweiphoton-Austauschamplitude beinhalten.

An accurate combined 3 He,Cs magnetometer with fT sensitivity for the nEDM experiment at PSI

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung, Konstruktion und Untersuchung eines Magnetometers zur exakten und präzisen Messung schwacher Magnetfelder. Diese Art von Magnetometer eignet sich zur Anwendung in physikalischen hochpräzisions Experimenten wie zum Beispiel der Suche nach dem elektrischen Dipolmomentrndes Neutrons. Die Messmethode beruht auf der gleichzeitigen Detektion der freien Spin Präzession Kern-Spin polarisierten 3He Gases durch mehrere optisch gepumpte Cäsium Magnetometer. Es wird gezeigt, dass Cäsium Magnetometer eine zuverlässige und vielseitige Methode zur Messung der 3He Larmor Frequenz und eine komfortable Alternative zur Benutzung von SQUIDs für diesen Zweck darstellen. Ein Prototyp dieses Magnetometers wurde gebaut und seine Funktion in der magnetisch abgeschirmten Messkabine der Physikalisch Technischen Bundesanstalt untersucht. Die Sensitivität des Magnetometers in Abhängigkeitrnvon der Messdauer wurde experimentell untersucht. Es wird gezeigt, dass für kurze Messperioden (< 500s) Cramér-Rao limitierte Messungen möglich sind während die Sensitivität bei längeren Messungen durch die Stabilität des angelegten Magnetfeldes limitiert ist. Messungen eines 1 muT Magnetfeldes mit einer relative Genauigkeit von besser als 5x10^(-8) in 100s werden präsentiert. Es wird gezeigt, dass die Messgenauigkeit des Magnetometers durch die Zahl der zur Detektion der 3He Spin Präzession eingesetzten Cäsium Magnetometer skaliert werden kann. Prinzipiell ist dadurch eine Anpassung der Messgenauigkeit an jegliche experimentellen Bedürfnisse möglich. Es wird eine gradiometrische Messmethode vorgestellt, die es erlaubt den Einfluss periodischerrnmagnetischer Störungen auf dieMessung zu unterdrücken. Der Zusammenhang zwischen der Sensitivität des kombinierten Magnetometers und den Betriebsparametern der Cäsium Magnetometer die zur Spin Detektion verwendet werden wird theoretisch untersucht und anwendungsspezifische Vor- und Nachteile verschiedener Betriebsartenwerden diskutiert. Diese Zusammenhänge werden in einer Formel zusammengefasst die es erlaubt, die erwartete Sensitivität des Magnetometers zu berechnen. Diese Vorhersagen befinden sich in perfekter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Die intrinsische Sensitivität des Magnetometer Prototyps wird auf Basis dieser Formel theoretisch bestimmt. Ausserdem wird die erwartete Sensitivität für die Anwendung im Rahmen des Experiments der nächsten Generation zur Bestimmung des elektrischenrnDipolmoments des Neutrons am Paul Scherrer Institut abgeschätzt. Des weiteren wird eine bequeme experimentelle Methode zur Messung des Polarisationsgrades und des Rabi Flip-Winkels der 3He Kernspin Polarisation vorgestellt. Letztere Messung ist sehr wichtig für die Anwendung in hochpräzisions Experimenten.

Time-variable gravity signal in Greenland revealed by high-low satellite-to-satellite tracking

[1] In the event of a termination of the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) mission before the launch of GRACE Follow-On (due for launch in 2017), high-low satellite-to-satellite tracking (hl-SST) will be the only dedicated observing system with global coverage available to measure the time-variable gravity field (TVG) on a monthly or even shorter time scale. Until recently, hl-SST TVG observations were of poor quality and hardly improved the performance of Satellite Laser Ranging observations. To date, they have been of only very limited usefulness to geophysical or environmental investigations. In this paper, we apply a thorough reprocessing strategy and a dedicated Kalman filter to Challenging Minisatellite Payload (CHAMP) data to demonstrate that it is possible to derive the very long-wavelength TVG features down to spatial scales of approximately 2000 km at the annual frequency and for multi-year trends. The results are validated against GRACE data and surface height changes from long-term GPS ground stations in Greenland. We find that the quality of the CHAMP solutions is sufficient to derive long-term trends and annual amplitudes of mass change over Greenland. We conclude that hl-SST is a viable source of information for TVG and can serve to some extent to bridge a possible gap between the end-of-life of GRACE and the availability of GRACE Follow-On.

Perfusion in rat brain at 7 T with arterial spin labeling using FAIR-TrueFISP and QUIPSS.

Measurement of perfusion in longitudinal studies allows for the assessment of tissue integrity and the detection of subtle pathologies. In this work, the feasibility of measuring brain perfusion in rats with high spatial resolution using arterial spin labeling is reported. A flow-sensitive alternating recovery sequence, coupled with a balanced gradient fast imaging with steady-state precession readout section was used to minimize ghosting and geometric distortions, while achieving high signal-to-noise ratio. The quantitative imaging of perfusion using a single subtraction method was implemented to address the effects of variable transit delays between the labeling of spins and their arrival at the imaging slice. Studies in six rats at 7 T showed good perfusion contrast with minimal geometric distortion. The measured blood flow values of 152.5+/-6.3 ml/100 g per minute in gray matter and 72.3+/-14.0 ml/100 g per minute in white matter are in good agreement with previously reported values based on autoradiography, considered to be the gold standard.

Evidence for the spin-0 nature of the Higgs boson using ATLAS data

Studies of the spin and parity quantum numbers of the Higgs boson are presented, based on protonproton collision data collected by the ATLAS experiment at the LHC. The Standard Model spin-parity J(P) = 0(+) hypothesis is compared with alternative hypotheses using the Higgs boson decays H -> gamma gamma, H -> ZZ* -> 4l and H -> WW* -> l nu l nu, as well as the combination of these channels. The analysed dataset corresponds to an integrated luminosity of 20.7 fb(-1) collected at a centre-of-mass energy of root s = 8 TeV. For the H -> ZZ* -> 4l decay mode the dataset corresponding to an integrated luminosity of 4.6 fb(-1) collected at root s = 7 TeV is included. The data are compatible with the Standard Model J(P) = 0+ quantum numbers for the Higgs boson, whereas all alternative hypotheses studied in this Letter, namely some specific J(P) = 0(-), 1(+), 1(-), 2(+) models, are excluded at confidence levels above 97.8%. This exclusion holds independently of the assumptions on the coupling strengths to the Standard Model particles and in the case of the J(P) = 2(+) model, of the relative fractions of gluon-fusion and quark-antiquark production of the spin-2 particle. The data thus provide evidence for the spin-0 nature of the Higgs boson, with positive parity being strongly preferred.

Limits on Spin-Dependent WIMP-Nucleon Cross Sections from 225 Live Days of XENON100 Data

We present new experimental constraints on the elastic, spin-dependent WIMP-nucleon cross section using recent data from the XENON100 experiment, operated in the Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italy. An analysis of 224.6 live days x 34 kg of exposure acquired during 2011 and 2012 revealed no excess signal due to axial-vector WIMP interactions with Xe-129 and Xe-131 nuclei. This leads to the most stringent upper limits on WIMP-neutron cross sections for WIMP masses above 6 GeV/c(2), with a minimum cross section of 3.5 x 10(-40) cm(2) at a WIMP mass of 45 GeV/c(2), at 90% confidence level.

Conceptual design and simulation of a water Cherenkov muon veto for the XENON1T experiment

XENON is a dark matter direct detection project, consisting of a time projection chamber (TPC) filled with liquid xenon as detection medium. The construction of the next generation detector, XENON1T, is presently taking place at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italy. It aims at a sensitivity to spin-independent cross sections of 2 10-47 c 2 for WIMP masses around 50 GeV2, which requires a background reduction by two orders of magnitude compared to XENON100, the current generation detector. An active system that is able to tag muons and muon-induced backgrounds is critical for this goal. A water Cherenkov detector of ~ 10 m height and diameter has been therefore developed, equipped with 8 inch photomultipliers and cladded by a reflective foil. We present the design and optimization study for this detector, which has been carried out with a series of Monte Carlo simulations. The muon veto will reach very high detection efficiencies for muons (>99.5%) and showers of secondary particles from muon interactions in the rock (>70%). Similar efficiencies will be obtained for XENONnT, the upgrade of XENON1T, which will later improve the WIMP sensitivity by another order of magnitude. With the Cherenkov water shield studied here, the background from muon-induced neutrons in XENON1T is negligible.

Time variable Earth’s gravity field from SLR satellites

The time variable Earth’s gravity field contains information about the mass transport within the system Earth, i.e., the relationship between mass variations in the atmosphere, oceans, land hydrology, and ice sheets. For many years, satellite laser ranging (SLR) observations to geodetic satellites have provided valuable information of the low-degree coefficients of the Earth’s gravity field. Today, the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) mission is the major source of information for the time variable field of a high spatial resolution. We recover the low-degree coefficients of the time variable Earth’s gravity field using SLR observations up to nine geodetic satellites: LAGEOS-1, LAGEOS-2, Starlette, Stella, AJISAI, LARES, Larets, BLITS, and Beacon-C. We estimate monthly gravity field coefficients up to degree and order 10/10 for the time span 2003–2013 and we compare the results with the GRACE-derived gravity field coefficients. We show that not only degree-2 gravity field coefficients can be well determined from SLR, but also other coefficients up to degree 10 using the combination of short 1-day arcs for low orbiting satellites and 10-day arcs for LAGEOS-1/2. In this way, LAGEOS-1/2 allow recovering zonal terms, which are associated with long-term satellite orbit perturbations, whereas the tesseral and sectorial terms benefit most from low orbiting satellites, whose orbit modeling deficiencies are minimized due to short 1-day arcs. The amplitudes of the annual signal in the low-degree gravity field coefficients derived from SLR agree with GRACE K-band results at a level of 77 %. This implies that SLR has a great potential to fill the gap between the current GRACE and the future GRACE Follow-On mission for recovering of the seasonal variations and secular trends of the longest wavelengths in gravity field, which are associated with the large-scale mass transport in the system Earth.

Time Variable Gravity: Contributions of GOCE Satellite Data to Monthly and Bi-monthly GRACE Gravity Estimates

A feasibility study by Pail et al. (Can GOCE help to improve temporal gravity field estimates? In: Ouwehand L (ed) Proceedings of the 4th International GOCE User Workshop, ESA Publication SP-696, 2011b) shows that GOCE (‘Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer’) satellite gravity gradiometer (SGG) data in combination with GPS derived orbit data (satellite-to-satellite tracking: SST-hl) can be used to stabilize and reduce the striping pattern of a bi-monthly GRACE (‘Gravity Recovery and Climate Experiment’) gravity field estimate. In this study several monthly (and bi-monthly) combinations of GRACE with GOCE SGG and GOCE SST-hl data on the basis of normal equations are investigated. Our aim is to assess the role of the gradients (solely) in the combination and whether already one month of GOCE observations provides sufficient data for having an impact in the combination. The estimation of clean and stable monthly GOCE SGG normal equations at high resolution ( >  d/o 150) is found to be difficult, and the SGG component, solely, does not show significant added value to monthly and bi-monthly GRACE gravity fields. Comparisons of GRACE-only and combined monthly and bi-monthly solutions show that the striping pattern can only be reduced when using both GOCE observation types (SGG, SST-hl), and mainly between d/o 45 and 60.

Revisiting the ISN Flow Parameters, using a variable IBEX pointing strategy

The Interstellar Boundary Explorer (IBEX) has observed the interstellar neutral (ISN) gas flow over the past 6 yr during winter/spring when the Earth's motion opposes the ISN flow. Since IBEX observes the interstellar atom trajectories near their perihelion, we can use an analytical model based upon orbital mechanics to determine the interstellar parameters. Interstellar flow latitude, velocity, and temperature are coupled to the flow longitude and are restricted by the IBEX observations to a narrow tube in this parameter space. In our original analysis we found that pointing the spacecraft spin axis slightly out of the ecliptic plane significantly influences the ISN flow vector determination. Introducing the spacecraft spin axis tilt into the analytical model has shown that IBEX observations with various spin axis tilt orientations can substantially reduce the range of acceptable solutions to the ISN flow parameters as a function of flow longitude. The IBEX operations team pointed the IBEX spin axis almost exactly within the ecliptic plane during the 2012-2014 seasons, and about 5° below the ecliptic for half of the 2014 season. In its current implementation the analytical model describes the ISN flow most precisely for the spin axis orientation exactly in the ecliptic. This analysis refines the derived ISN flow parameters with a possible reconciliation between velocity vectors found with IBEX and Ulysses, resulting in a flow longitude lambda∞ = 74.°5 ± 1.°7 and latitude beta∞ = -5.°2 ± 0.°3, but at a substantially higher ISN temperature than previously reported.

Experiment: Growth rates and percentages of normal versus malformed versus incomplete versus incomplete and malformed coccoliths

The coccolithophore Emiliania huxleyi (Lohmann) W. W. Hay et H. Mohler was cultured in natural seawater with the addition of either the microtubule-inhibitor colchicine, the actin-inhibitor cytochalasin B, or the photosynthesis inhibitor 3-(3,4 dichlorophenyl)-1,1-dimethyl-urea (DCMU). Additionally, E. huxleyi was cultured at different light intensities and temperatures. Growth rate was monitored, and coccolith morphology analyzed. While every treatment affected growth rate, the percentage of malformed coccoliths increased with colchicine, cytochalasin B, and at higher than optimal temperature. These results represent the first experimental evidence for the role of microtubules and actin microfilaments in coccolith morphogenesis.

Colony-specific investigations reveal highly variable responses among individual corals to ocean acidification and warming

As anthropogenic climate change is an ongoing concern, scientific investigations on its impacts on coral reefs are increasing. Although impacts of combined ocean acidification (OA) and temperature stress (T) on reef-building scleractinian corals have been studied at the genus, species and population levels, there are little data available on how individual corals respond to combined OA and anomalous temperatures. In this study, we exposed individual colonies of Acropora digitifera, Montipora digitata and Porites cylindrica to four pCO2-temperature treatments including 400 µatm-28 °C, 400 µatm-31 °C, 1000 µatm-28 °C and 1000 µatm-31 °C for 26 days. Physiological parameters including calcification, protein content, maximum photosynthetic efficiency, Symbiodinium density, and chlorophyll content along with Symbiodinium type of each colony were examined. Along with intercolonial responses, responses of individual colonies versus pooled data to the treatments were investigated. The main results were: 1) responses to either OA or T or their combination were different between individual colonies when considering physiological functions; 2) tolerance to either OA or T was not synonymous with tolerance to the other parameter; 3) tolerance to both OA and T did not necessarily lead to tolerance of OA and T combined (OAT) at the same time; 4) OAT had negative, positive or no impacts on physiological functions of coral colonies; and 5) pooled data were not representative of responses of all individual colonies. Indeed, the pooled data obscured actual responses of individual colonies or presented a response that was not observed in any individual. From the results of this study we recommend improving experimental designs of studies investigating physiological responses of corals to climate change by complementing them with colony-specific examinations.