Underground Neutrino Detectors for Particle and Astroparticle Science: the Giant Liquid Argon Charge Imaging ExpeRiment (GLACIER)

The current focus of the CERN program is the Large Hadron Collider (LHC), however, CERN is engaged in long baseline neutrino physics with the CNGS project and supports T2K as recognized CERN RE13, and for good reasons: a number of observed phenomena in high-energy physics and cosmology lack their resolution within the Standard Model of particle physics; these puzzles include the origin of neutrino masses, CP-violation in the leptonic sector, and baryon asymmetry of the Universe. They will only partially be addressed at LHC. A positive measurement of $\sin^22\theta_{13}>0.01$ would certainly give a tremendous boost to neutrino physics by opening the possibility to study CP violation in the lepton sector and the determination of the neutrino mass hierarchy with upgraded conventional super-beams. These experiments (so called ``Phase II'') require, in addition to an upgraded beam power, next generation very massive neutrino detectors with excellent energy resolution and high detection efficiency in a wide neutrino energy range, to cover 1st and 2nd oscillation maxima, and excellent particle identification and $\pi^0$ background suppression. Two generations of large water Cherenkov detectors at Kamioka (Kamiokande and Super-Kamiokande) have been extremely successful. And there are good reasons to consider a third generation water Cherenkov detector with an order of magnitude larger mass than Super-Kamiokande for both non-accelerator (proton decay, supernovae, ...) and accelerator-based physics. On the other hand, a very massive underground liquid Argon detector of about 100 kton could represent a credible alternative for the precision measurements of ``Phase II'' and aim at significantly new results in neutrino astroparticle and non-accelerator-based particle physics (e.g. proton decay).Comment: 31 pages, 14 figure

Dynamic visualization of deposition processes within porous media by means of MRI

Poröse Medien finden sich in technischen oder natürlichen Systemen wieder. Speziell in der Wasser- und Abwasseraufbereitung sind poröse Medien weit verbreitet. So werden Festbettfilter gezielt zum Rückhalt von partikulären Stoffen verwendet, dienen der Adsorption von gelösten Stoffen, oder fungieren als Aufwuchsfläche für Mikroorganismen, um den biologische Abbau zu verbessern. Während dem Betrieb kommt es innerhalb der porösen Medien zu Ablagerungen, die einen maßgebenden Einfluss auf die hydraulischen Eigenschaften und damit einhergehend auf die Leistung dieser Verfahren nehmen können. Mithilfe bildgebender Verfahren lassen sich detaillierte Aufnahmen der Ablagerungsvorgänge anfertigen. Diese dienen der qualitativen Prozessaufklärung realer Systeme und können zu deren Optimierung herangezogen werden. Aufgrund der 3-dimensionalen Struktur sind poröse Medien nur wenigen bildgebenden Verfahren zugänglich. In der gegenwärtigen Dissertation wurde die Magnetresonanztomographie (MRI; engl. Magnetic Resonance Imaging) verwendet, aufgrund der Möglichkeit Aufnahmen in-situ, zerstörungsfrei und ohne Tiefenlimitierung anzufertigen. Zudem lassen sich mithilfe der MRI neben strukturellen Aufnahmen auch Strömungsmessungen durchführen. In der gegenwärtigen Arbeit wurde sich im Detail mit den folgenden drei Themen befasst: (I) Dem Aufwuchs von Biofilm auf ein poröses Medium unter alternierender Wasserverfügbarkeit; (II) Dem Verbleib von Partikeln innerhalb von granulierten Belebtschlammbecken während dem anaeroben Füllen des Reaktors; (III) der Abscheidung von Partikeln innerhalb von granulierten Aktivkohlefiltern und der einhergehenden Veränderung des Strömungsfeldes. In Kapitel 2 wurde das Wachstum von Biofilm unter zyklischen Entwässerungs- und Bewässerungsphasen thematisiert. Der Versuch erlaubte die Visualisierung aller vier Bestandteile (Biofilm, poröses Medium, Wasser und Luft). Es zeigte sich, dass der Biofilm hauptsächlich an Porenhälsen aufwuchs, die permament Flüssigkeitsbedeckt blieben. Zu geringerem Ausmaß wurde der Bewuchs von Hohlräumen oder freier Oberflächen festgestellt. Durch das Biofilmwachstum wurde die Wasserrückhaltung nach Entwässerung erhöht. Im Gegenzug erhöhte sich ebenfalls der Einschluss von Luft nach zyklischer Wasserzufuhr. Zusätzlich konnte eine erhöhte Konnektivität der Wasserphase nachgewiesen werden. Dies deutet darauf hin, dass der Biofilm Stoffübergangsprozesse in teilgesättigten porösen Medien durch den Rückhalt von Wasser verbessert. Kapitel 3 thematisiert den Transport und Rückhaltemechanismen verschiedener Partikelgruppen innerhalb von porösen Medien aus granuliertem Belebtschlamm. Im Falle der aeroben Granula wurde gezeigt, dass der Rückhalteprozess von Partikeln größenabhängig ist. Die Partikel im Nanometerbereich waren in der Lage die aeroben Granula zu penetrieren. Gleichzeitig fand eine Immobilisation innerhalb des Biofilms statt, wodurch die Nanopartikel an der Oberfläche des Biofilms immobilisierten und nicht tiefer als 300 µm eindrangen. Die Partikel im Mikrometerbereich konnten zu einem Großteil abgefangen werden und sammelten sich in den Hohlräumen zwischen den aeroben Granula an. Ein Eindringen der Partikel in den Biofilm wurde nicht festgestellt. Aufgrund der Größe der Anhäufungen wird deutlich, dass diese überwiegend nicht direkt an den aeroben Granula anhaften, sondern sich vielmehr in den Hohlräumen ansammeln. In der darauffolgenden Belüftungsphase des Reaktorbetriebs werden Partikelansammlungen mitsamt den aeroben Granula aufgewirbelt, wodurch die Partikel der gesamten Biomasse zwecks Anhaftung und Abbau zur Verfügung stehen. In Kapitel 4 befasst sich mit der Rückhaltung von partikulären Stoffen (SS; engl. suspended solids) auf einem granulierten Aktivkohlefilter (GAC; engl. granulated activated carbon). Bei abwärts gerichteter Durchströmung wurden SS sowohl auf als auch innerhalb des GAC-Filters zurückgehalten. Durch die schrittweise Zugabe von SS konnte der Aufbau des Filterkuchens, Umschichtungen im porösen Medium als auch Änderungen der Einströmwege und Fließgeschwindigkeiten detailliert erfasst werden. Das Auftreten von bevorzugten Einströmwegen hebt hervor, dass die Deckschicht nicht die komplette Oberfläche bedeckte, und SS tiefer in das poröse Medium eingetragen wurden. Neben der Bedeckung des Filters, zeigte eine zunehmende Blockade von Porenhälsen und Komprimierung von SS mögliche Gründe für die schnell ansteigenden Druckverluste auf, die in realen oder pilot-Anlagen beobachtet wurden. Channeling war bereits vor Beginn der Filtration präsent. Hier zeigt sich das mit einer Äquivalentgeschwindigkeit von 28.8 m/h, der GAC Filter weitaus schneller durchströmt wird wie erwartet. Die Grundannahme einer mittleren Fließgeschwindigkeit von 5 m/h bzw. 12.5 m/h (inklusive Porosität), wurde um den Faktor 2,3 übertroffen. Mit zunehmender Filtrationsdauer wurden die Channelingeffekte deutlicher. Nach 3.75 h wurde eine Äquivalentgeschwindigkeit von 68.4 m/h gemessen, die nach 7.75 h auf 100.8 m/h anstieg. Insgesamt ist der Filtrationsprozess aufgrund des rasch zu erwartenden Druckanstiegs nachteilig, weshalb eine separierte und vorgeschaltete Filtration plausibler für die Prozessführung erscheint. Die Ergebnisse verdeutlichen die Eignung der MRI zur Prozessaufklärung von Ablagerungsprozessen in porösen Medien. Mithilfe der MRI war es möglich, Multikomponentensysteme durch die Auswahl der Aufnahmeparameter und weitergehender Bildanalyse zu visualisieren und zeitlich nachzuverfolgen. Weiterhin stellen die Ergebnisse einzigartige Abbildungen der Ablagerungsvorgänge dynamisch dar, die das bestehende Wissen erweitern und zur Optimierung großtechnischer Prozessabläufe beitragen können

Silicon Photomultipliers in Particle and Nuclear Physics

Following first large-scale applications in highly granular calorimeters and in neutrino detectors, Silicon Photomultipliers have seen a wide adoption in accelerator-based particle and nuclear physics experiments. Today, they are used for a wide range of different particle detector types, ranging from calorimeters and trackers to particle identification and veto detectors, large volume detectors for neutrino physics and timing systems. This article reviews the current state and expected evolution of these applications, highlighting strengths and limitation of SiPMs and the corresponding design choices in the respective contexts. General trends and adopted technical solutions in the applications are discussed.Comment: 17 pages, 18 figures, review paper published in Nuclear Instruments and Methods A; v2 correcting a missing figure link in tex

The future of gamma-ray astronomy

The field of gamma-ray astronomy has experienced impressive progress over the last decade. Thanks to the advent of a new generation of imaging air Cherenkov telescopes (H.E.S.S., MAGIC, VERITAS) and thanks to the launch of the Fermi-LAT satellite, several thousand gamma-ray sources are known today, revealing an unexpected ubiquity of particle acceleration processes in the Universe. Major scientific challenges are still ahead, such as the identification of the nature of Dark Matter, the discovery and understanding of the sources of cosmic rays, or the comprehension of the particle acceleration processes that are at work in the various objects. This paper presents some of the instruments and mission concepts that will address these challenges over the next decades.Comment: To be published in Comptes Rendus Physique (2016

Expanding the use of real-time electromagnetic tracking in radiation oncology.

In the past 10 years, techniques to improve radiotherapy delivery, such as intensity-modulated radiation therapy (IMRT), image-guided radiation therapy (IGRT) for both inter- and intrafraction tumor localization, and hypofractionated delivery techniques such as stereotactic body radiation therapy (SBRT), have evolved tremendously. This review article focuses on only one part of that evolution, electromagnetic tracking in radiation therapy. Electromagnetic tracking is still a growing technology in radiation oncology and, as such, the clinical applications are limited, the expense is high, and the reimbursement is insufficient to cover these costs. At the same time, current experience with electromagnetic tracking applied to various clinical tumor sites indicates that the potential benefits of electromagnetic tracking could be significant for patients receiving radiation therapy. Daily use of these tracking systems is minimally invasive and delivers no additional ionizing radiation to the patient, and these systems can provide explicit tumor motion data. Although there are a number of technical and fiscal issues that need to be addressed, electromagnetic tracking systems are expected to play a continued role in improving the precision of radiation delivery