Fakultät für Physik - Digitale Hochschulschriften der LMU - Teil 01/05

Die tiefinelastische Streuung von Leptonen an Nukleonen stellt eine gute

Methode dar, die Struktur der Nukleonen zu erforschen. Erste Messungen der

Strukturfunktionen des Protons wurden bereits in den 60er Jahren am Stanford

Linear Accelecator Center (SLAC) vorgenommen. Es wurde hier ein 20 GeV

Elektronstrahl benutzt. Diese Messungen zeigten, dass die Wirkungsquerschnitte

einem Skalenverhalten genuegen, welches charakteristisch ist fuer eine Streuung

an punktfoermigen Konstituenten. Dies war vom Quark-Parton-Modell (QPM)

vorhergesagt worden.

Die spinabhaengigen Strukturfunktionen des Protons wurden am SLAC in den

70er Jahren erstmals gemessen. Die Messungen wurden dann am CERN

(Europaeisches Zentrum fuer Elementarteilchenphysik) durch die European Muon

Collaboration (EMC) in den Jahren 1984 und 1985 mit einem Myonstrahl hoeherer

Energie fortgesetzt. Der CERN Myonstrahl hatte eine Strahlenergie von 280 GeV und

wurde aus dem Beschuss von Protonen aus dem Super-Proton-Synchrotron (SPS)

auf ein Beryliumtarget und anschliessendem Zerfall der dabei entstehenden Pionen

in ein Myon und ein Neutrino erzeugt.

Die Myonen sind aufgrund der Paritaetsverletzung beim Pionzerfall natuerlich

polarisiert. Anders als bei den SLAC-Experimenten mit Elektronenstrahlen kann

allerdings die Polarisation nicht so leicht invertiert werden. Die EMC arbeitete

deshalb mit zwei entgegengesetzt polarisierten Targethaelften.

Die Nachfolger der EMC, die Spin-Muon-Collaboration (SMC), verwendet im

wesentlichen denselben experimentellen Aufbau, der schon von der EMC und der

New-Muon-Collaboration (NMC) genutzt worden war. Sie benutzte fuer die

erste Datennahme im Jahre 1992 das von EMC konstruierte Target, welches im

Jahre 1993 durch ein groesseres und verbessertes Target ersetzt wurde. Als

Targetmaterial wurde Butanol und mit Deuterium versetztes Butanol verwendet.

Dadurch konnte im Jahre 1992 die Strukturfunktion des Deuterium g_1d gemessen

werden. Zusammen mit der Messung der spinabhaengigen Protonstrukturfunktion

g_1p konnte dann die Neutronenstrukturfunktion g_1n bestimmt werden. Die Strahlenergie

lag 1992 bei 100 GeV und in den darauffolgenden Jahren bei 190 GeV.

Die aus diesen Messungen resultierenden ersten Momente Gamma_p, Gamma_d und

Gamma_n sind im Quark-Parton-Modell mit dem Spinanteil der Quarks am Nukleonenspin

verbunden. Die von der EMC gefundene Abweichung von der Ellis-Jaffe

Summenregel, die eine theoretische Vorhersage ueber den Wert dieser ersten

Momente unter bestimmten Annahmen macht, wurde bestaetigt. Die fundamentalere

Bjorken Summenregel hingegen, die eine Aussage ueber die Differenz der ersten

Momente von Proton und Neutron macht, konnte mit sehr grosser Genauigkeit

bestaetigt werden.

In dieser Arbeit wird der gesamte Deuterium Datensatz, der von der

SMC aufgezeichnet wurde, verwendet. Es werden neue Methoden zur Berechnung der

Asymmetrie und zu der aus den Schwankungen im Ansprechverhalten des

Spektrometers resultierenden scheinbaren Asymmetrie vorgestellt. Aus der

Analyse der Deuterium Daten der Jahre 1992, 1994 und 1995 wird das erste

Moment der spinabhaengigen Strukturfunktion Gamma_d berechnet. Zusammen mit der

Messung der Protonstrukturfunktion g1_p wird das erste Moment der

Neutronstrukturfunktion Gamma_n ermittelt. Abschliesend werden diese Werte mit

den theoretischen Vorhersagen von Bjorken und Ellis-Jaffe verglichen.

Die Dissertation gliedert sich in einen experimentellen und einen astrophysikalischen Teil. Der instrumentelle Teil beschreibt die Konstruktion und Entwicklung des abbildenden 3D-Linienspektrometers FIFI LS, das an Bord des flugzeuggestützten Infrarotobservatorium SOFIA eingesetzt wird. Bei FIFI LS handelt es sich um ein Zweikanal-Gitterspektrometer für den Wellenlängenbereich zwischen 42 und 210µm. Der astrophysikalische Teil dieser Arbeit befaßt sich mit Infrarotbeobachtungen meherer Quellen in unmittelbarer Umgebung des galaktischen Zentrums. Die Analyse der Wasserstoff-Rekombinationslinien ermöglichte dabei die Ableitung einen interstellaren Extinktionsgesetzes im Wellenlängenbereich zwischen 2.5 und 8.8µm.

Innerhalb des sogenannten Standardmodells (SM) der Teilchenphysik ist der Prozess der Flavour-ändernden neutralen Ströme (FCNC) auf Born-Niveau verboten, und nur über Prozesse höherer Ordnung möglich. FCNC-Prozesse sind daher extrem unterdrückt und sehr selten. Experimentell konnte dies für die ersten beiden Generationen von Quarks bestätigt werden. Für die dritte Generation, speziell für das Top-Quark, existieren bisher nur wenige experimentelle Erkenntnisse über FCNC-Prozesse. Durch theoretische Erweiterungen des SM können, aufgrund der extrem großen Masse des Top-Quarks und der damit verbundenen Sonderstellung, FCNC-Prozesse für Top-Quarks vorhergesagt werden, die um mehrere Größenordnungen gegenüber dem SM erhöht sind.

In dieser Arbeit wird nach der Produktion einzelner Top-Quarks über Flavour-ändernde neutrale Ströme mit den Daten des OPAL-Detektors am e+e- -Speicherring LEP gesucht. Hierzu wird im hadronischen Zerfallskanal des W-Bosons nach dem Prozess e+e- -> tc(u) -> bWc(u) gesucht. Die Selektion der Ereignisse beruht auf der kinematischen Rekonstruktion und dem Auffinden von b-Hadronen. Mehrere sensitive Variablen werden mit einer Likelihood-Methode kombiniert. Die Daten, bei Schwerpunktsenergien zwischen 189 und 209 GeV, entsprechen einer integrierten Luminosität von ca. 600 pb^-1. Bei keiner der untersuchten Schwerpunktsenergien ergeben sich Hinweise für solche FCNC-Prozesse. Es lassen sich obere Grenzen auf den Wirkungsquerschnitt in Abhängigkeit der Schwerpunktsenergie mit 95% Konfidenzniveau berechnen. Im Rahmen verschiedener Erweiterungen des SM kann mit diesen Grenzen der Parameterraum von Kopplungen jenseits des SM eingeschränkt werden. Zudem ist es möglich, mit Hilfe dieser Kopplungsparameter Grenzen auf das FCNC-Verzweigungsverhältnis Br( -> Z^0 q) und Br(t -> gamma q) zu berechnen.

Durch die zusätzliche Kombination mit dem leptonischen Zerfallskanal des W-Bosons und den Analysen der anderen drei LEP-Experimente (ALEPH, DELPHI, L3) können die zur Zeit stärksten experimentellen Grenzen auf FCNC-Prozesse im Bereich des Top-Quarks bestimmt werden.

Mit der vorliegenden Arbeit wird die weltweit erste numerische Simulation eines

selbstinduzierten freien Elektronen Lasers (FEL) vorgestellt. Zu ihrer Durchf¨uhrung

wurde ein massen– und energieerhaltender ”Particle in Cell Code“–(PIC) verwendet,

der es erlaubt eine Region in einer Pulsarmagnetosph¨are entsprechend der kinetischen

Plasmatheorie zu behandeln und damit den dort agierenden FEL–Prozeß zu

modellieren.

Zun¨achst wird die Existenz eines FEL–Szenarios in einer Pulsarmagnetosph¨are

motiviert und die physikalischen Parameter an einem solchen Ort dargelegt. Anschließend

werden die f¨ur diese Arbeit relevanten Teile der relativistischen, kinetischen

Plasmatheorie erarbeitet, soweit dies f¨ur das Verst¨andnis des FEL notwendig

ist.

Nach einer genauen Beschreibung der verwendeten, numerischen Verfahren werden

die Ergebnisse aus der Simulation im Detail diskutiert. Dabei wird nicht nur auf

das Anwachsen von elektrostatischen Langmuirwellen eingegangen, sondern auch die

Energetik der beteiligten Plasmen und der emittierten Strahlung genau besprochen.

In der Simulation zeigen sich viele, bisher nur in theoretischen Arbeiten vorhergesagte

Vorg¨ange, deren prognostiziertes Auftreten in der Natur nun noch st¨arker

untermauert werden kann. Insgesamt best¨atigen die Ergebnisse aus der Simulation

auf eindrucksvolle Weise die Vorstellung, wie ein FEL–Prozeß in einer Pulsarmagnetosph

¨are ablaufen soll. Sowohl die Zeitskalen, als auch die emittierte Leistung

und Frequenzen lassen sich gut mit den Erkenntnissen aus den Radiobeobachtungen

von Pulsaren in Einklang bringen, was ein starkes Argument f¨ur den FEL als

zugrundeliegenden, koh¨arenten Emissionsmechanismus bei Pulsaren ist.

New Results in cooling and storing single Indium ions are presented. Cooling almost to the ground state of the trapping potential could be demonstrated for a single ion as well as for a two-ion coulomb-crystal. In high-resolution spectroscopy the narrow-bandwidth clock-transition was measured with a resolution of 1,3*10^(-13). The absolute frequency of this transition was measured with an uncertainty of 1,8*10^(-13). Also the properties of the Indium-Ion as a reference of an optical freqency standard are discussed.

Der Higgsmechanismus erlaubt es, massive Fermionen in einer chiralen Eichtheorie, wie dem Standardmodell der Teilchenphysik, zu beschreiben. Allerdings bleiben dabei die Yukawa-Kopplungskonstanten und damit die Masseneigenwerte unbestimmt. Ein Ausgangspunkt für die Beschreibung des Massenspektrums und der Mischung der Quarks und Leptonen ist die demokratische Massenmatrix. Damit erscheint der Mechanismus der Mischung der Quark-Masseneigenzustände in enger Analogie zur Mischung im System der neutralen pseudoskalaren Mesonen. Dies wird als Hinweis auf eine Substruktur der Fermionen gedeutet.

Die phänomenologischen Konsequenzen der Fermion-Massenerzeugung in Substrukturmodellen werden ausgehend von einem allgemeinen Ansatz für die zu erwartenden Formfaktoren der Leptonen und Quarks ausgewertet. Die Brechung bestimmter chiraler Symmetrien und die entsprechenden Störungen der demokratischen Massenmatrix sollte sich auch auf der Ebene der Formfaktoren widerspiegeln und könnte neue Effekte induzieren. Diskutiert werden der mögliche

Zusammenhang zwischen einem zusätzlichen Beitrag zum anomalen magnetischen Moment des Myons und dem Auftreten des Zerfalls "Myon zerfällt in Elektron und Photon" sowie die Möglichkeit der Erzeugung einzelner "top"-Quarks in der Elektron-Positron-Vernichtung und in der Elektron-Proton-Streuung bei HERA.