EDM: Neutron electric dipole moment measurement

An electric dipole moment (EDM) of the neutron would be a clear sign of new physics beyond the standard model of particle physics. The search for this phenomenon is considered one of the most important experiments in fundamental physics and could provide key information on the excess of matter versus antimatter in the universe. With high measurement precision, this experiment aims to ultimately achieve a sensitivity of 10-28 ecm, a 100-fold improvement in the sensitivity compared to the state-of-the-art. The EDM instrument is operated by an international collaboration based at the Technische Universität München

Massive stars shaping the ISM

Diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss von Sternen, deren Masse acht Sonnenmassen übersteigt, auf das Interstellare Medium in ihrer Umgebung. Solche massereiche Sterne beenden ihr Dasein mit einer Supernovaexplosion und verlieren im Laufe ihrer - verglichen mit massearmen Sternen - raschen Entwicklung einen großen Teil ihrer Masse über ihre starken Sternwinde. Beispielsweise gibt ein Stern mit 60 Sonnenmassen Anfangsmasse mehr als die doppelte Supernovaenergie über die kinetische Energie seiner Winde in seine Umgebung ab. Sterne entstehen in Regionen mit kaltem, dichtem Gas, den sogenannten Molekülwolken. Beobachtungen zeigen, dass diese Gaswolken turbulent sind. Es ist allerdings noch ungeklärt, woher die beobachtete Turbulenz im Interstellaren Medium ihre Energie bezieht. Die Energieabgabe von massereichen Sternen ist - neben großskaligen gravitativen Instabilitäten in der Scheibe der Milchstraße - eine der möglichen Erklärungen. Beobachtungen erlauben Rückschlüsse auf die eingebrachte Energiemenge und die Längenskalen des Energie liefernden Prozesses. Daher ist es relevant, zu bestimmen, wie viel kinetische Energie ein massereicher Stern in der ihn umgebenden Molekülwolke deponieren kann. Der Schwerpunkt dieser Arbeit sind hydrodynamische Simulationen, die diese Energieeffizienz testen. Dazu wurden aktuelle Sternentwicklungsmodelle in die frei zugänglichen Eulerschen Gittercodes Pluto und Ramses eingebaut. Die Simulationen verwenden das von Eva Ntormousi erstellte Modul für die Berechnung der Heiz- und Kühlprozesse eines Multiphasenmediums. Die Modellrechnungen führten zur Erkenntnis, dass in jener Phase der Simulation, in der die räumliche Auflösung der Modellrechnung die Eneergieeffizienz stark beeinflusst, der größte Energieverlust durch Strahlung an jener Stelle auftritt, an der das vom Stern ausgestoßene Material auf das aufgesammelte Umgebungsgas trifft. An dieser Kontaktfläche treten Mischungsprozesse auf, welche die Energieverluste steigern. Somit können unsere Simulationen in Kombination mit einer Abschätzung der Effizienz und Skalenlänge dieser Mischprozesse eine Aussage treffen, wie viel Energie massereiche Sterne zur Aufrechterhaltung der Turbulenz beitragen können. Für diese Abschätzung der Mischprozesse liefert die Literatur auf Beobachtungen und numerischen Simulationen basierende Richtwerte. Als Anwendungsbeispiel wird in dieser Arbeit die Orion-Eridanus Region diskutiert. In dieser Region wird das radioaktive Isotop 26-Al beobachtet. Dieses Isotop wird vorrangig in massereichen Sternen gebildet. Es kann daher als Indikator für von Sternen ausgestoßene Materie verwendet werden. Interessanterweise zeigen die Beobachtungen dieser Region nur in einem Teil des Gebiets mit Röntgenemission ein 26-Al Signal. Unsere Ramses Modelle berücksichtigen 26-Al und können daher auf Gebiete mit (fehlenden) Korrelationen zwischen Röntgenemission und 26-Al Signal durchsucht werden

Stellar feedback efficiencies: supernovae versus stellar winds

The final, definitive version of this paper has been published in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 456(1): 710-730, February 2016, DOI: 10.1093/mnras/stv2699, published by Oxford University Press on behalf of MNRAS.Stellar winds and supernova (SN) explosions of massive stars (`stellar feedback') create bubbles in the interstellar medium (ISM) and insert newly produced heavy elements and kinetic energy into their surroundings, possibly driving turbulence. Most of this energy is thermalized and immediately removed from the ISM by radiative cooling. The rest is available for driving ISM dynamics. In this work we estimate the amount of feedback energy retained as kinetic energy when the bubble walls have decelerated to the sound speed of the ambient medium. We show that the feedback of the most massive star outweighs the feedback from less massive stars. For a giant molecular cloud (GMC) mass of 105 M⊙ (as e.g. found in the Orion GMCs) and a star formation efficiency of 8 per cent the initial mass function predicts a most massive star of approximately 60 M⊙. For this stellar evolution model we test the dependence of the retained kinetic energy of the cold GMC gas on the inclusion of stellar winds. In our model winds insert 2.34 times the energy of an SN and create stellar wind bubbles serving as pressure reservoirs. We find that during the pressure-driven phases of the bubble evolution radiative losses peak near the contact discontinuity (CD), and thus the retained energy depends critically on the scales of the mixing processes across the CD. Taking into account the winds of massive stars increases the amount of kinetic energy deposited in the cold ISM from 0.1 per cent to a few per cent of the feedback energy.Peer reviewe

Kinematics of massive star ejecta in the Milky Way as traced by 26^26Al

Context. Massive stars form in groups and their winds and supernova explosions create superbubbles up to kpc in size. The fate of their ejecta is of vital importance for the dynamics of the interstellar medium, for chemical evolution models, and the chemical enrichment of galactic halos and the intergalactic medium. However, ejecta kinematics and the characteristic scales in space and time have not been explored in great detail beyond ~10 Ka. Aims: Through measurement of radioactive 26Al with its decay time constant at ~106 years, we aim to trace the kinematics of cumulative massive-star and supernova ejecta independent of the uncertain gas parameters over million-year time scales. Our goal is to identify the mixing time scale and the spatio-kinematics of such ejecta from the pc to kpc scale in our Milky Way. Methods: We use the SPI spectrometer on the INTEGRAL observatory and its observations along the Galactic ridge to trace the detailed line shape systematics of the 1808.63 keV gamma-ray line from 26Al decay. We determine line centroids and compare these to Doppler shift expectations from large-scale systematic rotation around the Galaxy centre, as observed in other Galactic objects. Results: We measure the radial velocities of gas traced by 26Al, averaged over the line of sight, as a function of Galactic longitude. We find substantially higher velocities than expected from Galactic rotation, the average bulk velocity being ~200 km s-1 larger than predicted from Galactic rotation. The observed radial velocity spread implies a Doppler broadening of the gamma-ray line that is consistent with our measurements of the overall line width. We can reproduce the observed characteristics with 26Al sources located along the inner spiral arms, when we add a global blow-out preference into the forward direction away from arms into the inter-arm region, as is expected when massive stars are offset towards the spiral-arm leading edge. With the known connection of superbubbles to the gaseous halo, this implies angular-momentum transfer in the disk-halo system and consequently also radial gas flows. The structure of the interstellar gas above the disk affects how ionizing radiation may escape and ionize intergalactic gas.Peer reviewe

Frequency shifts in noble-gas magnetometers

Polarized nuclei are a powerful tool in nuclear spin studies and in searches for beyond-the-standard model physics. Noble-gas comagnetometer systems, which compare two nuclear species, have thus far been limited by anomalous frequency variations of unknown origin. We studied the self-interactions in a $^3$He-$^{129}$Xe system by independently addressing, controlling and measuring the influence of each component of the nuclear spin polarization. Our results directly rule out prior explanations of the shifts, and demonstrate experimentally that they can be explained by species dependent self-interactions. We also report the first gas phase frequency shift induced by $^{129}$Xe on $^3$He.Comment: v.

Massive stars shaping the ISM

Diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss von Sternen, deren Masse acht Sonnenmassen übersteigt, auf das Interstellare Medium in ihrer Umgebung. Solche massereiche Sterne beenden ihr Dasein mit einer Supernovaexplosion und verlieren im Laufe ihrer - verglichen mit massearmen Sternen - raschen Entwicklung einen großen Teil ihrer Masse über ihre starken Sternwinde. Beispielsweise gibt ein Stern mit 60 Sonnenmassen Anfangsmasse mehr als die doppelte Supernovaenergie über die kinetische Energie seiner Winde in seine Umgebung ab. Sterne entstehen in Regionen mit kaltem, dichtem Gas, den sogenannten Molekülwolken. Beobachtungen zeigen, dass diese Gaswolken turbulent sind. Es ist allerdings noch ungeklärt, woher die beobachtete Turbulenz im Interstellaren Medium ihre Energie bezieht. Die Energieabgabe von massereichen Sternen ist - neben großskaligen gravitativen Instabilitäten in der Scheibe der Milchstraße - eine der möglichen Erklärungen. Beobachtungen erlauben Rückschlüsse auf die eingebrachte Energiemenge und die Längenskalen des Energie liefernden Prozesses. Daher ist es relevant, zu bestimmen, wie viel kinetische Energie ein massereicher Stern in der ihn umgebenden Molekülwolke deponieren kann. Der Schwerpunkt dieser Arbeit sind hydrodynamische Simulationen, die diese Energieeffizienz testen. Dazu wurden aktuelle Sternentwicklungsmodelle in die frei zugänglichen Eulerschen Gittercodes Pluto und Ramses eingebaut. Die Simulationen verwenden das von Eva Ntormousi erstellte Modul für die Berechnung der Heiz- und Kühlprozesse eines Multiphasenmediums. Die Modellrechnungen führten zur Erkenntnis, dass in jener Phase der Simulation, in der die räumliche Auflösung der Modellrechnung die Eneergieeffizienz stark beeinflusst, der größte Energieverlust durch Strahlung an jener Stelle auftritt, an der das vom Stern ausgestoßene Material auf das aufgesammelte Umgebungsgas trifft. An dieser Kontaktfläche treten Mischungsprozesse auf, welche die Energieverluste steigern. Somit können unsere Simulationen in Kombination mit einer Abschätzung der Effizienz und Skalenlänge dieser Mischprozesse eine Aussage treffen, wie viel Energie massereiche Sterne zur Aufrechterhaltung der Turbulenz beitragen können. Für diese Abschätzung der Mischprozesse liefert die Literatur auf Beobachtungen und numerischen Simulationen basierende Richtwerte. Als Anwendungsbeispiel wird in dieser Arbeit die Orion-Eridanus Region diskutiert. In dieser Region wird das radioaktive Isotop 26-Al beobachtet. Dieses Isotop wird vorrangig in massereichen Sternen gebildet. Es kann daher als Indikator für von Sternen ausgestoßene Materie verwendet werden. Interessanterweise zeigen die Beobachtungen dieser Region nur in einem Teil des Gebiets mit Röntgenemission ein 26-Al Signal. Unsere Ramses Modelle berücksichtigen 26-Al und können daher auf Gebiete mit (fehlenden) Korrelationen zwischen Röntgenemission und 26-Al Signal durchsucht werden

A Young GMC Formed at the Interface of Two Colliding Supershells: Observations Meet Simulations

Dense, star-forming gas is believed to form at the stagnation points of large-scale ISM flows, but observational examples of this process in action are rare. We here present a giant molecular cloud (GMC) sandwiched between two colliding Milky Way supershells, which we argue shows strong evidence of having formed from material accumulated at the collision zone. Combining 12CO, 13CO and C18O(J=1-0) data with new high-resolution, 3D hydrodynamical simulations of colliding supershells, we discuss the origin and nature of the GMC (G288.5+1.5), favoring a scenario in which the cloud was partially seeded by pre-existing denser material, but assembled into its current form by the action of the shells. This assembly includes the production of some new molecular gas. The GMC is well interpreted as non-self-gravitating, despite its high mass (MH2 ~ 1.7 x 10^5 Msol), and is likely pressure confined by the colliding flows, implying that self-gravity was not a necessary ingredient for its formation. Much of the molecular gas is relatively diffuse, and the cloud as a whole shows little evidence of star formation activity, supporting a scenario in which it is young and recently formed. Drip-like formations along its lower edge may be explained by fluid dynamical instabilities in the cooled gas.Comment: 13 pages, 9 figures, accepted for publication in Ap