Stefan Rossegger über `Die Eleganz der Analytischen Methoden zur Berechnung von Feld-Verzerrungen`
Wenn ich mich kurz vorstellen darf: Mein Name ist Stefan Rossegger und ich bin Doktorand am Institut für Theoretische Physik - Computational Physics - an der TU Graz bei Professor Schnizer. Zurzeit arbeite ich am CERN, da sich meine Doktorarbeit mit einem der vier Grossexperimente, oder um genauer zu sein mit dem zentralen Detektor des ALICE Experiments, beschäftigt.
ALICE (A Large Ion Collider Experiment) wurde speziell entwickelt um die Physik des sogenannten Quark-Gluon Plasmas (QGP) zu untersuchen. Dies war, so glaubt man, ein früher Zustand des Universums und zwar unmittelbar nach dem Urknall, das heißt noch bevor die freigewordene Energie in die heute bekannte Materie ``ausgefroren`` ist (ähnlich wie Wasser welches bei Senkung der Temperatur oder des Druckes zu Eis gefriert). Diesen frühen Zustand des Universums versucht man mit Schwerionen-Kollisionen (wie z.B. Bleiatomen) unter Laborbedingungen nach zustellen, wobei man mit dem ALICE Experiment das ``Ausfrieren`` beobachten möchte. Die nach diesem Phasenübergang des Ausfrierens neu entstandenden Elementarteilchen (Protenen, Muonen, Elektronen usw.) werden anhand ihrer speziellen Flugbahnen innerhalb eines Magnetfeldes identifiziert.
Fig. 1: Phasen Schwerionenkollision [Quelle: http://gruppo3.ca.infn.it/usai]
Der zentrale Detektor von ALICE ist eine sogenannte Zeit-Projektions-Kammer (engl. TPC). Es handelt sich hierbei um eine spezielle Art von Kamera, mit welcher drei-dimensionale (also räumliche) Aufnahmen von Teilchenspuren gemacht werden können. Das funktioniert ungefähr so: Wenn ein geladenes Teilchen das mit Gas gefüllte Volumen der TPC durchquert, ionisiert es die Gasmoleküle entlang des Weges. Die daraus entstandenen Elektronen bewegen sich entlang des angelegten elektrischen Feldes in Richtung der Endplatten der TPC. Hier werden diese ausgelesen. Die Position in der Auslesekammer ergibt die x und y Koordinate und die Ankunftszeit die z Koordinate.
Fig. 2: Arbeitsprinzip einer Zeit-Projektions-Kammer
Die Elektronen bewegen sich auf keinen geradlinigen Bahnen, sondern werden von statischen und dynamischen Effekten abgelenkt. Diese Effekte und deren Einfluss zu quantifizieren ist ein Hauptteil meiner wissenschaftlichen Arbeit.
Ein spezieller dynamischer Effekt hat es mir ganz besonders angetan. Nämlich, verbleibende Raumladungen (positive Ionen) innerhalb der TPC welche das elektrische Feld verzerren und so die Auflösung der Aufnahme verschlechtern. Genau hier zeigt sich die Eleganz von analytischen Methoden. Es war mir nämlich möglich eine analytische Lösung (im Sinne von mathematisch eindeutig) für genau diesen Einfluss herzuleiten, die bislang noch nicht bekannt war. Sie erlaubt eine elegante, einfache und außerordentlich schnelle Berechnung der einzelnen Beiträge der Ionen auf die Feldverzerrung und somit eine elegante Korrektur der aufgetretenen Abweichungen der Elektronenspuren. Sozusagen, eine Entzerrung der drei-dimensionalen Momentaufnahme nach dem ``kleinen Urknall`` im ALICE Detektor.
Fig. 3: Ionisationsspuren nach einem ``kleinem Urknall``
Das Ziel meiner künftigen Arbeit ist es, die von mir entwickelten Methoden auf reale Daten - geliefert durch Kollisionen von im LHC beschleunigten Teilchen - anzuwenden und so die Genauigkeit der Untersuchung des Quark-Gluon Plasmas zu verbessern.
Fig. 4: Raumladungsfluktuationen innerhalb der TPC
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