Color-flavor locked strange matter and strangelets at finite temperature

It is possible that a system composed of up, down, and strange quarks exists as the true ground state of nuclear matter at high densities and low temperatures. This exotic plasma, called strange quark matter (SQM), seems to be even more favorable energetically if quarks are in a superconducting state, the so-called color-flavor locked state. Here we present calculations made on the basis of the MIT bag model, considering the influence of finite temperature on the allowed parameters characterizing the system for stability of bulk SQM (the so-called stability windows) and also for strangelets, small lumps of SQM, both in the color-flavor locking scenario. We compare these results with the unpaired SQM and also briefly discuss some astrophysical implications of them. Also, the issue of the strangelet's electric charge is discussed. The effects of dynamical screening, though important for nonpaired SQM strangelets, are not relevant when considering pairing among all three flavors and colors of quarks.

Missing levels in acoustic resonators

It is shown that the deviations of the experimental statistics of six chaotic acoustic resonators from Wigner-Dyson random matrix theory predictions are explained by a recent model of random missing levels. In these resonatorsa made of aluminum plates a the larger deviations occur in the spectral rigidity (SRs) while the nearest-neighbor distributions (NNDs) are still close to the Wigner surmise. Good fits to the experimental NNDs and SRs are obtained by adjusting only one parameter, which is the fraction of remaining levels of the complete spectra. For two Sinai stadiums, one Sinai stadium without planar symmetry, two triangles, and a sixth of the three-leaf clover shapes, was found that 7%, 4%, 7%, and 2%, respectively, of eigenfrequencies were not detected.

A contribution to the exact modal solution of in-plane beam structures

The exact vibration modes and natural frequencies of planar structures and mechanisms, comprised Euler-Bernoulli beams, are obtained by solving a transcendental. nonlinear, eigenvalue problem stated by the dynamic stiffness matrix (DSM). To solve this kind of problem, the most employed technique is the Wittrick-Williams algorithm, developed in the early seventies. By formulating a new type of eigenvalue problem, which preserves the internal degrees-of-freedom for all members in the model, the present study offers an alternative to the use of this algorithm. The new proposed eigenvalue problem presents no poles, so the roots of the problem can be found by any suitable iterative numerical method. By avoiding a standard formulation for the DSM, the local mode shapes are directly calculated and any extension to the beam theory can be easily incorporated. It is shown that the method here adopted leads to exact solutions, as confirmed by various examples. Extensions of the formulation are also given, where rotary inertia, end release, skewed edges and rigid offsets are all included. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Tailoring vibration mode shapes using topology optimization and functionally graded material concepts

Tailoring specified vibration modes is a requirement for designing piezoelectric devices aimed at dynamic-type applications. A technique for designing the shape of specified vibration modes is the topology optimization method (TOM) which finds an optimum material distribution inside a design domain to obtain a structure that vibrates according to specified eigenfrequencies and eigenmodes. Nevertheless, when the TOM is applied to dynamic problems, the well-known grayscale or intermediate material problem arises which can invalidate the post-processing of the optimal result. Thus, a more natural way for solving dynamic problems using TOM is to allow intermediate material values. This idea leads to the functionally graded material (FGM) concept. In fact, FGMs are materials whose properties and microstructure continuously change along a specific direction. Therefore, in this paper, an approach is presented for tailoring user-defined vibration modes, by applying the TOM and FGM concepts to design functionally graded piezoelectric transducers (FGPT) and non-piezoelectric structures (functionally graded structures-FGS) in order to achieve maximum and/or minimum vibration amplitudes at certain points of the structure, by simultaneously finding the topology and material gradation function. The optimization problem is solved by using sequential linear programming. Two-dimensional results are presented to illustrate the method.

Absorption spectrum of a strongly driven atom in a detuned squeezed vacuum

We present numerical and analytical results for the Mollow probe absorption spectrum of a coherently driven two-level system in a narrow bandwidth squeezed vacuum field. The spectra are calculated for the case where the Rabi frequency of the driving field is much larger than the natural linewidth and the squeezed vacuum carrier frequency is detuned from the driving laser frequency. The driving laser is on resonance. We show that in a detuned squeezed vacuum the standard Mellow features are each split into triplets. The central components of each triplet are weakly dependent on the squeezing phase but the sidebands strongly depend on the phase and can have dispersive or absorptive/emissive profiles. We also derive approximate analytical expressions for the spectral features and find that the multi-peak structure of the spectrum can be interpreted either via the eigenfrequencies of a generalized Floquet Hamiltonian or in terms of three-photon transitions between dressed stales involving a probe field photon and a correlated photon pair from the squeezed vacuum field.

GA topology optimization using random keys for tree encoding of structures

Topology optimization consists in finding the spatial distribution of a given total volume of material for the resulting structure to have some optimal property, for instance, maximization of structural stiffness or maximization of the fundamental eigenfrequency. In this paper a Genetic Algorithm (GA) employing a representation method based on trees is developed to generate initial feasible individuals that remain feasible upon crossover and mutation and as such do not require any repairing operator to ensure feasibility. Several application examples are studied involving the topology optimization of structures where the objective functions is the maximization of the stiffness and the maximization of the first and the second eigenfrequencies of a plate, all cases having a prescribed material volume constraint.

Development of beam and plate finite elements based on the absolute nodal coordinate formulation

The focus of this dissertation is to develop finite elements based on the absolute nodal coordinate formulation. The absolute nodal coordinate formulation is a nonlinear finite element formulation, which is introduced for special requirements in the field of flexible multibody dynamics. In this formulation, a special definition for the rotation of elements is employed to ensure the formulation will not suffer from singularities due to large rotations. The absolute nodal coordinate formulation can be used for analyzing the dynamics of beam, plate and shell type structures. The improvements of the formulation are mainly concentrated towards the description of transverse shear deformation. Additionally, the formulation is verified by using conventional iso-parametric solid finite element and geometrically exact beam theory. Previous claims about especially high eigenfrequencies are studied by introducing beam elements based on the absolute nodal coordinate formulation in the framework of the large rotation vector approach. Additionally, the same high eigenfrequency problem is studied by using constraints for transverse deformation. It was determined that the improvements for shear deformation in the transverse direction lead to clear improvements in computational efficiency. This was especially true when comparative stress must be defined, for example when using elasto-plastic material. Furthermore, the developed plate element can be used to avoid certain numerical problems, such as shear and curvature lockings. In addition, it was shown that when compared to conventional solid elements, or elements based on nonlinear beam theory, elements based on the absolute nodal coordinate formulation do not lead to an especially stiff system for the equations of motion.

Sellumassan varastosäiliön rakenneanalyysi

Tämä työ käsittelee valkaistun ja valkaisemattoman sellumassan varastosäiliön tärinää ja värähtelyä. Värähtelyn seurauksena säiliön seinämän jäykisterenkaan hitsausliitokseen on syntynyt särö. Työn tavoitteena on selvittää, mikä johtaa särön syntyyn ja miten kestäväm-piä varastosäiliöitä voidaan rakentaa materiaali-, valmistus- tai rakennemuutoksien avulla. Työ alkoi tutkimalla rakennemateriaalina olevan duplex-teräksen mikrorakenteen ominai-suuksia, sekä sen hitsattavuutta ja seostamista kirjallisuustutkimuksena. Kirjallisuustutki-musta jatkettiin selvittämällä mahdollisia vaurion syntymekanismeja seinämän särölle. Työssä analysoitiin myös tehtaalla mitattuja värähtelyarvoja. Lopuksi laskettiin FE-analyysillä tyhjän varastosäiliön ominaismuodot ja -taajuudet moodianalyysillä, sekä selvi-tettiin harmonisella analyysillä pinnankorkeuden vaihtelun vaikutus siirtymävasteeseen ja kriittisiin värähtelytaajuuksiin. Varastosäiliöön kohdistuvaa värähtelyä ei ole mahdollista poistaa kokonaan, mutta väräh-telyn aiheuttamia seurauksia kyetään rajaamaan useilla keinoilla. Toimenpiteinä voivat olla ainakin seinämän materiaalin paksuuden lisääminen, jäykisteripojen lisääminen ja kriittisten sellun pinnankorkeuksien välttäminen. Kriittiseksi pinnankorkeudeksi havaittiin 40–45 %:n täyttöaste ja turvalliseksi korkeudeksi 35–38 %:n täyttöaste. Varastosäiliölle kriittisen ominaistaajuuden katsotaan syntyvän taajuuksilla 3,3–3,8 Hz ja 5,8–6,4 Hz. Sellumassa putoaa varastosäiliöön noin 2 Hz taajuudella.

Parameter identification of structural dynamic models by inverse statistical analysis

Auf dem Gebiet der Strukturdynamik sind computergestützte Modellvalidierungstechniken inzwischen weit verbreitet. Dabei werden experimentelle Modaldaten, um ein numerisches Modell für weitere Analysen zu korrigieren. Gleichwohl repräsentiert das validierte Modell nur das dynamische Verhalten der getesteten Struktur. In der Realität gibt es wiederum viele Faktoren, die zwangsläufig zu variierenden Ergebnissen von Modaltests führen werden: Sich verändernde Umgebungsbedingungen während eines Tests, leicht unterschiedliche Testaufbauten, ein Test an einer nominell gleichen aber anderen Struktur (z.B. aus der Serienfertigung), etc. Damit eine stochastische Simulation durchgeführt werden kann, muss eine Reihe von Annahmen für die verwendeten Zufallsvariablengetroffen werden. Folglich bedarf es einer inversen Methode, die es ermöglicht ein stochastisches Modell aus experimentellen Modaldaten zu identifizieren. Die Arbeit beschreibt die Entwicklung eines parameter-basierten Ansatzes, um stochastische Simulationsmodelle auf dem Gebiet der Strukturdynamik zu identifizieren. Die entwickelte Methode beruht auf Sensitivitäten erster Ordnung, mit denen Parametermittelwerte und Kovarianzen des numerischen Modells aus stochastischen experimentellen Modaldaten bestimmt werden können.

Perturbation treatment of symmetry breaking within random matrix theory

We discuss the applicability, within the random matrix theory, of perturbative treatment of symmetry breaking to the experimental data on the flip symmetry breaking in quartz crystal. We found that the values of the parameter that measures this breaking are different for the spacing distribution as compared to those for the spectral rigidity. We consider both two-fold and three-fold symmetries. The latter was found to account better for the spectral rigidity than the former. Both cases, however, underestimate the experimental spectral rigidity at large L. This discrepancy can be resolved if an appropriate number of eigenfrequencies is considered to be missing in the sample. Our findings are relevant for symmetry violation studies in general. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Massless scattering at special kinematics as Jacobi polynomials

We study the scattering equations recently proposed by Cachazo, He and Yuan in the special kinematics where their solutions can be identified with the zeros of the Jacobi polynomials. This allows for a non-trivial two-parameter family of kinematics. We present explicit and compact formulas for the n-gluon and n-graviton partial scattering amplitudes for our special kinematics in terms of Jacobi polynomials. We also provide alternative expressions in terms of gamma functions. We give an interpretation of the common reduced determinant appearing in the amplitudes as the product of the squares of the eigenfrequencies of small oscillations of a system whose equilibrium is the solutions of the scattering equations.

Ein Experiment zur Bestimmung des g-Faktors des gebundenen Elektrons in wasserstoff- und lithiumähnlichen mittelschweren Ionen

In dieser Arbeit werden der experimentelle Aufbau und erste Messungen für die Bestimmung des g-Faktors des Elektrons gebunden in wasserstoff- und lithiumähnlichen mittelschweren Ionen beschrieben. Mit dem hochpräzisenWert des g-Faktors können theoretische Berechnungen der Quantenelektrodynamik gebundener Zustände überprüft werden. Die Messungen werden in einem Dreifach-Penningfallen-System durchgeführt. Dort wurden im Rahmen dieser Arbeit auch erstmals hochgeladene Ionen bis 28Si13+ in einer hierfür entwickelten Elektronenstrahl-Ionenquelle/-falle erzeugt. Für die Bestimmung des g-Faktors werden die freie Zyklotronfrequenz und die Larmorfrequenz benötigt. Erstere wird aus den drei Eigenfrequenzen des in der Präzisionsfalle gespeicherten Ions berechnet. Um das Ion bei den Messungen nicht zu verlieren, werden die Eigenfrequenzen des Ions durch Kopplung an einen radiofrequenten Nachweisschwingkreis nicht-destruktiv nachgewiesen. Die freie Zyklotronfrequenz konnte dabei mit einer relativen Genauigkeit von wenigen 10E−9 bestimmt werden. Zur Bestimmung der Larmorfrequenz ist die genaue Kenntnis der Spinrichtung des Elektrons im Magnetfeld notwendig. Diese wird durch den kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekt in der sogenannten Analysefalle bestimmt. Hierzu muss eine hohe Stabilität der axialen Frequenz des Ions erreicht werden. Um dies sowie die Hochpräzisionsmessungen in der Präzisionsfalle zu erreichen, wurden in dieser Arbeit beide Fallen hinsichtlich ihrer elektrischen und magnetischen Eigenschaften charakterisiert.

The g-factor of the electron bound in 28 Si 13+ : the most stringent test of bound-state quantum electrodynamics

This thesis describes the ultra-precise determination of the g-factor of the electron bound to hydrogenlike 28Si13+. The experiment is based on the simultaneous determination of the cyclotron- and Larmor frequency of a single ion, which is stored in a triple Penning-trap setup. The continuous Stern-Gerlach effect is used to couple the spin of the bound electron to the motional frequencies of the ion via a magnetic bottle, which allows the non-destructive determination of the spin state. To this end, a highly sensitive, cryogenic detection system was developed, which allowed the direct, non-destructive detection of the eigenfrequencies with the required precision.rnThe development of a novel, phase sensitive detection technique finally allowed the determination of the g-factor with a relative accuracy of 40 ppt, which was previously inconceivable. The comparison of the hereby determined value with the value predicted by quantumelectrodynamics (QED) allows the verification of the validity of this fundamental theory under the extreme conditions of the strong binding potential of a highly charged ion. The exact agreement of theory and experiment is an impressive demonstration of the exactness of QED. The experimental possibilities created in this work will allow in the near future not only further tests of theory, but also the determination of the mass of the electron with a precision that exceeds the current literature value by more than an order of magnitude.

Detection of individual spin transitions of a single proton confined in a cryogenic Penning trap

Das in dieser Arbeit vorgestellte Experiment zur Messung des magnetischen Moments des Protons basiert auf der Messung des Verhältnisses von Zyklotronfrequenz und Larmorfrequenz eines einzelnen, in einer kryogenen Doppel-Penning Falle gespeicherten Protons. In dieser Arbeit konnten erstmalig zwei der drei Bewegungsfrequenzen des Protons gleichzeitig im thermischen Gleichgewicht mit entsprechenden hochsensitiven Nachweissystemen nicht-destruktiv detektiert werden, wodurch die Messzeit zur Bestimmung der Zyklotronfrequenz halbiert werden konnte. Ferner wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmalig einzelne Spin-Übergänge eines einzelnen Protons detektiert, wodurch die Bestimmung der Larmorfrequenz ermöglicht wird. Mithilfe des kontinuierlichen Stern-Gerlach Effekts wird durch eine sogenannte magnetische Flasche das magnetische Moment an die axiale Bewegungsmode des Protons gekoppelt. Eine Änderung des Spinzustands verursacht folglich einen Frequenzsprung der axialen Bewegungsfrequenz, welche nicht-destruktiv gemessen werden kann. Erschwert wird die Detektion des Spinzustands dadurch, dass die axiale Frequenz nicht nur vom Spinmoment, sondern auch vom Bahnmoment abhängt. Die große experimentelle Herausforderung besteht also in der Verhinderung von Energieschwankungen in den radialen Bewegungsmoden, um die Detektierbarkeit von Spin-Übergängen zu gewährleisten. Durch systematische Studien zur Stabilität der axialen Frequenz sowie einer kompletten Überarbeitung des experimentellen Aufbaus, konnte dieses Ziel erreicht werden. Erstmalig kann der Spinzustand eines einzelnen Protons mit hoher Zuverlässigkeit bestimmt werden. Somit stellt diese Arbeit einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einer hochpräzisen Messung des magnetischen Moments des Protons dar.

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.