Podcasts about zeitentwicklung

Was hat denn nu mit der Zeit nicht gestimmt? Mit der Zeit war alles okay - die Kräfte waren schuld. Teilchen sollten sich eben nicht selbst schubsen, sonst kommt es zu seltsamen Effekten.

Mit genug Beharrlichkeit bekommt man jedes Problem in den Griff - zumindest meistens. Hier ist es gelungen und so kann nun die Zeitentwicklung eines radialsymmetrischen Systems mit tagged particle berechnet werden.

In dieser Dissertation untersuchen wir eine Vielzahl von Themen aus dem Bereich der Kosmologie und der Gravitation. Insbesondere behandeln wir Fragestellungen aus der Inflationstheorie, der Strukturbildung im neuzeitlichen Universum und massiver Gravitation, sowie Quantenaspekte schwarzer Löcher und Eigenschaften bestimmter skalare Theorien bei sehr hohen Energien. Im sogenannten "New Higgs Inflation"-Modell spielt das Higgs-Boson die Rolle des Inflaton-Felds. Das Modell ist kompatibel mit Messungen der Higgs-Masse, weil das Higgs-Boson nichtminimal an den Einstein-Tensor gekoppelt wird. Wir untersuchen das Modell in Hinblick auf die kürzlich veröffentlichten Resultate der BICEP2- und Planck-Experimente und finden eine hervorragende Übereinstimmung mit den gemessenen Daten. Desweiteren zeigen wir auf, dass die scheinbaren Widersprüche zwischen Planck- und BICEP2-Daten dank eines negativ laufenden Spektralindex verschwinden. Wir untersuchen außerdem die Unitaritätseigenschaften der Theorie und räsonieren, dass es während der gesamten Entwicklung des Universums nicht zu Unitaritätsverletzung kommt. Während der Dauer der inflationären Phase sind Kopplungen in den Higgs-Higgs und Higgs-Graviton-Sektoren durch eine großen feldabhängige Skala unterdrückt. Die W- und Z-Bosonen hingegen entkoppeln aufgrund ihrer sehr großen Masse. Wir zeigen eine Möglichkeit auf, die es erlaubt die Eichbosonen als Teil der Niederenergietheorie zu behalten. Dies wird erreicht durch eine gravitationsabhängige nichtminimale Kopplung des Higgs-Felds an die Eichbosonen. Im nächsten Abschnitt konzentrieren wir uns auf das neuzeitliche Universum. Wir untersuchen den sogenannten sphärischen Kollaps in Modellen gekoppelter dunkler Energie. Insbesondere leiten wir eine Formulierung des sphärischen Kollaps her, die auf den nichtlinearen Navier-Stokes-Gleichungen basiert. Im Gegensatz zu bekannten Beispielen aus der Literatur fließen alle wichtigen Fifth-Force Effekte in die Entwicklung ein. Wir zeigen, dass unsere Methode einfachen Einblick in viele Subtilitäten erlaubt, die auftreten wenn die dunkle Energie als inhomogen angenommen wird. Es folgt eine Einleitung in die Theorien von massiven Spin-2 Teilchen. Hier erklären wir die Schwierigkeiten der Formulierung einer nichtlinearen, wechselwirkenden Theorie. Wir betrachten das bekannte Problem des Boulware-Deser-Geists und zeigen zwei Wege auf, dieses No-Go-Theorem zu vermeiden. Insbesondere konstruieren wir die eindeutige Theorie eines wechselwirkenden massiven Spin-2 Teilchens, die auf kubischer Ordnung trunkiert werden kann, ohne dass sie zu Geist-Instabilitäten führt. Der zweite Teil dieser Arbeit widmet sich bekannten Problemen der Physik schwarzer Löcher. Hier liegt unser Fokus auf der Idee, das schwarze Löcher als Bose-Kondensate von Gravitonen aufgefasst werden können. Abweichungen von semiklassischem Verhalten sind Resultat von starken Quanteneffekten die aufgrund einer kollektiven starken Kopplung auftreten. Diese starke Kopplung führt in bekannten Systemen zu einem Quantenphasenübergang oder einer Bifurkation. Die quantenmechanischen Effekte könnten der Schlüssel zur Auflösung lang existierender Probleme in der Physik schwarzer Löcher sein. Dies umschließt zum Beispiel das Informationsparadox und das ``No-Hair''-Theorem. Außerdem könnten sie wertvolle Einblicke in die Vermutung liefern, dass schwarze Löcher die Systeme sind, die Informationen am schnellsten verschlüsseln. Als Modell für ein schwarzes Loch studieren wir ein System von ultrakalten Bosonen auf einem Ring. Dieses System ist bekannt als eines, dass einen Quantenkritischen Punkt besitzt. Wir demonstrieren, dass am kritischen Punkt Quanteneffekte sogar für sehr große Besetzungszahlen wichtig sein können. Hierzu definieren wir die Fluktuationsverschränkung, die angibt, wie sehr verschiedene Impulsmoden miteinander verschränkt sind. Die Fluktuationsverschränkung ist maximal am kritischen Punkt und ist dominiert von sehr langwelligen Fluktuationen. Wir finden daher Resultate die unabhängig von der Physik im ultravioletten sind. Im weiteren Verlauf besprechen wir die Informationsverarbeitung von schwarzen Löchern. Insbesondere das Zusammenspiel von Quantenkritikalität und Instabilität kann für ein sehr schnelles Wachstum von Ein-Teilchen-Verschränkung sorgen. Dementsprechend zeigen wir, dass die sogenannte "Quantum Break Time'', welche angibt wie schnell sich die exakte Zeitentwicklung von der semiklassischen entfernt, wie log(N) wächst. Hier beschreibt N die Anzahl der Konstituenten. Im Falle eines Gravitonkondensats gibt N ein Maß für die Entropie des schwarzen Lochs an. Dementsprechend interpretieren wir unsere Erkenntnisse als einen starken Hinweis, dass das Verschlüsseln von Informationen in schwarzen Löchern denselben Ursprung haben könnte. Das Verdampfen von schwarzen Löchern beruht in unserem Bild auf zwei Effekten. Kohärente Anregungen der tachyonischen radialen Mode führen zum Kollaps des Kondensats, während sich die inkohärente Streuung von Gravitonen für die Hawking-Strahlung verantwortlich zeigt. Hierfür konstruieren wir einen Prototyp, der einen bosonischen Freiheitsgrades mit impulsabhängigen Wechselwirkungen beschreibt. Im Schwinger-Keldysh-Formalismus untersuchen wir die Echtzeit-Evolution des Kondensats und zeigen, dass der Kollaps und die damit einhergehende Evaporation auf selbst-ähnliche Weise verläuft. In diesem Fall ist das Kondensat während des gesamten Kollapses an einem kritischen Punkt. Desweiteren zeigen wir Lösungen, die an einem instabilen Punkt leben, und daher schnelle Verschränkung erzeugen könnten. Der finale Teil der Arbeit befasst sich mit Renormierungsgruppenflüssen in skalaren Theorien mit impulsabhängigen Wechselwirkungen. Wer leiten die Flussgleichung für eine Theorie, die nur eine Funktion des kinetischen Terms enthält her. Hier zeigen wir die Existenz von Fixpunkten in einer Taylor-Entwicklung der Funktion auf. Wir diskutieren, inwiefern unsere Analyse für Einblick in allgemeinere Theorien mit Ableitungswechselwirkungen sorgen kann. Dies beinhaltet zum Beispiel Gravitation.

In dieser Arbeit untersuche ich den Einfluss massiver Quantenfelder auf einen reinen de Sitter Hintergrund. Nach einer kurzen Zusammenfassung der neuesten Entwicklungen zu diesem Thema gebe ich eine Einführung in die klassische Geometrie von de Sitter Räumen. Darin behandle ich die physikalischen Eigenschaften und die verschiedenen Koordinatensysteme, die unterschiedliche Teile des de Sitter Raumes bedecken. Im anschließenden Kapitel wiederhole ich die Quantenfeldtheorie freier Skalarfelder auf gekrümmten Hintergründen im Allgemeinen und auf de Sitter im Speziellen. Hier gebe ich die Lösungen für die Modenfunktionen in geschlossenen und flachen Koordinaten an und diskutiere das Problem der richtigen Wahl des Vakuums auch im Hinblick auf die Eigenschaften der zugehörigen Green Funktionen. Da sich der Hintergrund für die Quantenfeldtheorie auf de Sitter mit der Zeitentwicklung ändert, verwende ich den in/in (Keldysh) Formalismus zur Berechnung von Observablen. Ich fasse den Formalismus zusammen und erläutere die für Rechnungen benötigten Methoden. Die Einführung des Wechselwirkungspotentials und der Feynmanregeln für Wechselwirkungsdiagramme bilden schliesslich den Abschluss des einleitenden Teils. Mit Hilfe des effektiven Potentials für das reskalierte Skalarfeld zeige ich, dass jede Theorie mit ungeraden Wechselwirkungspotentialen Probleme mit der Stabilität des freien Vakuums aufweist, falls der Skalenfaktor in der Vergangenheit verschwindet. Dies ist auch ein Argument, auf de Sitter die globalen Koordinaten anstelle der flachen zu verwenden, da sie im Gegensatz zu diesen den ganzen Raum bedecken und der Skalenfaktor nur einen nicht verschwindenden Minimalwert annimmt. Ich beweise weiterhin, dass aus der Betrachtung der Vakuumpersistenz kein Einwand gegen Wechselwirkungen auf de Sitter folgt, da die resultierende Entwicklung immer unitär ist, falls die Kopplung klein genug gewählt wird. Für die Schleifenkorrekturen zum Keldyshpropagator in globalen Koordinaten ergeben meine Berechnungen keine problematischen Divergenzen. Insbesondere finde ich keine Divergenz, die es verbietet, den adiabatischen Limes in Berechnung zu nehmen, was den Ergebnissen von Polyakov und Krotov widerspricht. Zusammen- fassend ist meine Schlussfolgerung, dass die wechselwirkenden Quantenfelder zu keinen offensichtlichen Instabilitäten des de Sitter Hintergrundes führen.

Das Gebiet der Nichtgleichgewichtsdynamik stark korrelierter Quantensysteme beinhaltet eine Vielzahl interessanter Fragestellungen, erweist sich dabei allerdings oftmals als schwer zugänglich für gängige numerische und analytische mathematische Methoden. In den letzten Jahren hat sich durch die experimentelle Realisierung gut kontrollierbarer quantenmechanischer Systeme die Möglichkeit eröffnet, Experimente als Quantensimulatoren für das Verhalten komplexer Vielteilchensysteme zu benutzen. Ultrakalte Atome in optischen Gittern eignen sich hervorragend als Simulatoren für simple Festkörpersysteme, da sich sämtliche Parameter der zugrunde liegenden Hamiltonoperatoren präzise kontrollieren lassen und der Zustand der Systeme mit einer Vielzahl an Messmethoden untersucht werden kann. In unseren Experimenten realisieren wir Bose-Hubbard Systeme durch ultrakalte 39K Atome in blau verstimmten optischen Gittern. Zusätzliche optische Dipolpotenziale und magnetische Feshbach-Resonanzen erlauben es uns dabei, die Parameter der Systeme zu jedem Zeitpunkt beliebig zu variieren. Dadurch sind die von uns erzeugten Systeme in besonderem Maße dazu geeignet, Nichtgleichgewichtseffekte zu untersuchen. Unser Hauptaugenmerk liegt auf der Untersuchung der Expansionsdynamik wechselwirkender Atome in homogenen Gittern. Wir beginnen unsere Experimente mit einem Anfangszustand im tiefen Gitter, der aus lokalisierten Atomen auf maximal einfach besetzten Gitterplätzen besteht. Durch gleichzeitiges schnelles Verringern der Gittertiefe und der externen Potenziale werden die Atome in ein homogenes Gitter entlassen und die Zeitentwicklung ihrer Dichteverteilung wird durch Absorptionsabbildungen festgehalten. Es zeigt sich, dass sowohl die Wechselwirkung zwischen den Atomen als auch die Dimensionalität der Gitter einen starken Einfluss auf die Dynamik haben. In allen integrablen Grenzfällen des Bose-Hubbard Modells verhalten sich die Atome ballistisch und expandieren mit hoher Geschwindigkeit, doch sobald sich das System außerhalb der integrablen Regime befindet verringert sich die Expansionsgeschwind-igkeit drastisch. Diese verringerte Geschwindigkeit geht einher mit der Ausbildung charakteristischer bimodaler Dichteverteilungen, die auf eine diffusive Dynamik schließen lassen. Für stark wechselwirkende Systeme können wir einen dimensionalitätsabhängigen Übergang zwischen ballistischer Dynamik im 1D hard-core-regime und diffusiver Dynamik im 2D Fall beobachten sowie eine starke Verringerung der Expansionsgeschwindigkeit, wenn der Anfangszustand des Systems mehrfach besetzte Gitterplätze enthält. Des Weiteren beobachten wir die Erzeugung solcher Mehrfachbesetzungen nach dem Entlassen der Atome, deren schnelle Entwicklung auf eine lokale Relaxationsdynamik hin zu quasistationären Werten deuten lässt. Als Letztes untersuchen wir die Entwicklung der Quasiimpulsverteilung stark wechselwirkender expandierender Atome, die laut theoretischer Vorhersagen eine vorübergehende Quasikondensation zeigen sollen, bei der sich scharfe lokale Maxima in der Quasiimpulsverteilung bei endlichen Quasiimpulsen bilden. Wir beobachten die Entstehung nicht-thermischer Quasiimpulsverteilungen die Maxima an den vor-hergesagten Positionen zeigen. Allerdings sind die von uns beobachteten Maxima wesentlich breiter als die vorhergesagten und wir diskutieren eine Reihe möglicher Erklärungen für diese Verbreiterung sowie Vorschläge zur Verbesserung zukünftiger Experimente.

Der Compact Linear Collider (CLIC) ist ein zukünftiger e+e- Beschleuniger mit einer Kollisionsenergie von bis zu 3 TeV und einer Kollisionsrate der Teilchenbündel von 2 GHz. Damit stellt CLIC besondere Anforderungen an ein Gesamtdetektorsystem. Die Akkumulation von Hintergrundereignissen - wie zum Beispiel aus Beamstrahlung resultierende gamma gamma -> Hadronen Interaktionen - soll durch eine zeitaufgelöste Teilchendetektion in allen Subdetektorsystemen minimiert werden. In der Ereignisrekonstruktion wird die präzise Zuordnung von Ereignissen zu einer kleinen Anzahl aufeinanderfolgender Teilchenbündelkollisionen insbesondere durch die Kalorimeter unterstützt indem man Energiedepositionen einen genauen Zeitstempel zuweist. Andererseits ist die Zeitentwicklung von hadronischen Schauern nicht instantan. Die Anforderungen an die Energieauflösung der Kalorimeter machen eine Integration über einen ausgedehnten Zeitraum unabdingbar. Wolfram ist eines der dichtesten Materialien und soll als Absorber verwendet werden um Teilchenschauer auf engstem Raum und innerhalb der Kalorimeter zu stoppen. Gegenwärtig ist die zeitaufgelöste Propagation hadronischer Schauer in Wolfram experimentell jedoch noch nicht hinreichend erforscht. Das T3B Experiment (Tungsten Timing Test Beam) wurde im Rahmen dieser Arbeit entworfen und konstruiert. Es besteht aus einer Kette von 15 Szintillatorkacheln, deren Lichtsignal durch Photosensoren (SiPMs) detektiert und durch Oszilloskope mit einer Abtastrate von 1.25 GHz digitalisiert wird. Das Experiment wurde dafür entwickelt die Zeitstruktur hadronischer Schauer zu vermessen und herauszufinden wie stark verspätete Energiedepositionen innerhalb eines Schauers beitragen. Der T3B Kachelstreifen wurde hinter zwei Prototypen für Hadronenkalorimeter der CALICE Kollaboration montiert, die mit einer Stahl- bzw. Wolframabsorberstruktur ausgestattet waren. Das T3B Experiment hat während der CALICE Teststrahlphase 2010/2011 am PS und SPS des CERN Hadronenschauer in einem Energiebereich von 2-300 GeV zeitlich vermessen. Eine für den Teststrahlbetrieb optimierte Software zur Datennahme wurde neu konzipiert. Die Entwicklung eines neuartigen Softwarealgorithmus zur zeitlichen Dekomposition von SiPM-Signalen erlaubte es, den Detektionszeitpunkt einzelner Photonen und somit Schauer mit einer zeitlichen Präzision von 1 ns zu studieren. Das T3B Experiment konnte eine erhöhte späte Schaueraktivität in Wolfram relativ zu Stahl nachweisen. Hierzu wurde eine detaillierte Untersuchung der Zeitverteilung der Energiedepositionen bemüht. Außerdem wurde beobachtet, dass der relative Einfluss von späten Energiedepositionen radial mit der Distanz zur Schauerachse zunimmt. Diese Zunahme ist in Wolfram wesentlich stärker ausgeprägt als in Stahl. Es konnte nachgewiesen werden, dass das für Simulationen am LHC und für den Großteil der Physikstudien für CLIC standardmäßig verwendete hadronische Schauermodell QGSP_BERT späte Energiedepositionen systematisch überschätzt. Neu entwickelte Modelle mit speziellem Augenmerk auf niederenergetischen Neutronen reproduzieren die Daten besser. Im Bezug auf die Energie einfallender Teilchen in einem Bereich von 60-180 GeV konnten keine signifikanten Unterschiede im Rahmen der Messunsicherheiten nachgewiesen werden.