Gutenberg Open Science

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Recent Submissions

DissertationAccess status: Open Access ,
Observation of top-quark pair production in heavy-ion collisions in the ATLAS experiment at the LHC
(2025) Potępa, Patrycja; Matthias, Schott; Iwona, Grabowska-Bołd
Hard probes are expected to provide crucial input for nuclear parton distribution functions (nPDF), as well as to bring valuable insights into the quark-gluon plasma (QGP). In this thesis, measurements of heavy-ion collisions using top quarks in the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider are presented. Analysed data from proton-lead (p+Pb) and lead-lead (Pb+Pb) collisions were collected with the ATLAS detector during Run 2 (2015-2018) at a nucleon-nucleon centre-of-mass energy of √sₙₙ = 8.16 TeV and √sₙₙ = 5.02 TeV, respectively. Electrons play an important role in the top-quark pair (tt̄) decay modes, specifically in the ℓ+jets and dilepton channels, which involve electrons in the final state. Electron performance is evaluated in p+Pb and Pb+Pb collisions, using electrons from the Z→e⁺e⁻ resonance decay. Electron scale-factor corrections are derived in p+Pb collisions and applied in the measurement of tt̄ production. Moreover, electron identification is optimised for Pb+Pb collisions and currently serves as the baseline approach in Run 3 (2022-2026). The tt̄ process is studied in the ℓ+jets and dilepton channels in p+Pb collisions. The inclusive tt̄ cross-section is measured with the total relative uncertainty of 9%, leading to the most precise tt̄ cross-section measurement in heavy-ion collisions achieved so far. The signal significance exceeds five standard deviations separately in the ℓ+jets and dilepton modes, resulting in the first observation of tt̄ production in the dilepton channel in p+Pb collisions. The nuclear modification factor for the tt̄ process is also extracted for the first time. The results are in agreement with theoretical predictions for various state-of-the-art nPDF sets. The production of tt̄ pairs is also analysed in the dilepton decay mode in Pb+Pb collisions. The inclusive tt̄ cross-section is extracted with the total relative uncertainty of 31%, providing the most precise tt̄ cross-section measurement in Pb+Pb collisions to date. The observed signal significance amounts to 5.0 standard deviations, establishing the first observation of the tt̄ process in Pb+Pb collisions. The obtained result is consistent with the measurement by the CMS Collaboration and theoretical predictions based on the latest nPDF sets. The conducted studies open a new path for further research on heavy-ion collisions at ultra-relativistic energies. The precise measurement of tt̄ production in p+Pb collisions provides valuable input for constraining nPDFs in the high Bjorken-x region. The observation of the tt̄ process in Pb+Pb collisions marks the start of the heavy-ion program with top quarks, and in particular, opens a possibility of exploring the time structure of the QGP in the future.
DissertationAccess status: Open Access ,
From detector layout to signal analysis: geometry optimization and neutron-gamma tagging in plastic scintillator detectors
(2026) Nehm, Asa; Weber, Alfons
Neutrinos are elementary particles with many properties still unknown. Their masses so far have only upper and lower limits. Still, due to neutrino oscillations, it is clear that they are not massless, as stated by the Standard Model of Elementary Particles. Neutrinos are also present in the Universe in vast amounts, but they rarely interact with the surrounding matter. Their abundance makes them very interesting for many theories beyond the Standard Model, e.g., dark matter searches and charge-parity symmetry violation in the leptonic sector, which could be (partially) responsible for the observed matter-antimatter asymmetry in today’s Universe. The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is a next-generation accelerator-based neutrino oscillation experiment that will study neutrinos with unprecedented precision and may answer many open questions. DUNE uses a powerful neutrino beam from Fermilab. It consists of a Near Detector complex to measure neutrinos before oscillation, and a Far Detector complex 1300 km away to measure them after oscillation. As part of the Near Detector complex, measurements are also possible with different angles to the neutrino beam. This enables excellent control of systematic uncertainties of e.g., neutrino cross section measurements. One detector in the near detector complex is The Muon Spectrometer, an extension of a Liquid Argon detector that measures the charge and momentum of muons produced in neutrino interactions within the Liquid Argon. The design of this detector, which consists of alternating layers of steel and plastic scintillator bars, must be optimized for the expected muon energies. In this thesis, a study of the optimal module orientation plan is presented, which is necessary for the physics performance of the near detector complex and, by extension, DUNE. As part of this study, the event reconstruction was also developed and improved. Simulated muons are then reconstructed, and the performance of different module orientation plans is tested. As a second part, a study of neutron and gamma tagging using a pulse shape discrimination plastic scintillator is presented. The properties of this material allow particle differentiation based on the temporal distribution of emitted light. A novel approach to using the individual light signals was successfully tested using data from a small, local test setup.
DissertationAccess status: Open Access ,
Einfluss von Wetterbedingungen auf die Häufigkeit von Synkopen: Eine retrospektive Analyse über 21 Jahre und Zukunftsprognose
(2025) Schmitz-Salue, Victor Martin Antonius; Treib, Johannes; Wössner, Ralph
Synkopen sind durch einen plötzlichen, kurzzeitigen Bewusstseinsverlust mit gleichzeitigem Verlust der Haltefunktion infolge einer globalen zerebralen Minderdurchblutung gekennzeichnet. Im Rahmen des Bewusstseinsverlust führen sie häufig zu Sturzereignissen, die insbesondere bei älteren Menschen zu schweren Verletzungen führen können. Ziel der vorliegenden Arbeit war es einen möglichen Zusammenhang zwischen meteorologischen Bedingungen und dem Auftreten von Synkopen zu untersuchen sowie anschließend mittels Klimaprojektionen die Häufigkeit von Synkopen im Jahr 2100 zu prognostizieren. Hierzu erfolgte eine explorative retrospektiv Analyse der während des 21-jährigen Zeitraums zwischen dem 01.01.2000 und 31.12.2020 am Westpfalz-Klinikum Kaiserslautern aufgrund von Synkopen behandelten 14363 Patientinnen und Patienten im Hinblick auf eine Korrelation mit den bestehenden sowie sich ändernden Wetterbedingungen analysiert. Die Wetterdaten (Temperatur, Luftdruck, Niederschlag, Luftfeuchtigkeit) wurden vom Deutschen Wetterdienst zur Verfügung gestellt. Für die statistische Auswertung wurde zunächst die Verteilung der Daten beschrieben und die notwendigen Voraussetzungen für die Inferenzstatistik geprüft. Im Rahmen der Inferenzstatistik wurden eine Spearman-Korrelation, eine Negativ Binomial Regression sowie Kruskal-Wallis-Test mit Post-hoc Test durchgeführt. Aufgrund der hohen Zahl an durchgeführten Tests wurde zur Reduktion der Alphafehler-Kumulierung eine Anpassung des Signifikanzniveaus mittels Benjamini-Hochberg-Korrektur vorgenommen. Die Ergebnisse zeigen eine signifikante Zunahme der Synkopenfälle über den Beobachtungszeitraum. Die Altersverteilung der Patienten zeigt zwei Altersgipfel, einen um 20 Jahre und einen weiteren um 80 Jahre. Es finden sich keine signifikanten saisonalen oder jahreszeitliche Unterschiede. Für die Spearman Korrelation als auch die Negativ Binomial Regression finden sich Hinweise auf einen signifikanten Zusammenhang zwischen der Umgebungstemperatur, Temperaturwechsel, relativen Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Niederschlag und Auftretenswahrscheinlichkeit von Synkopen. Für den Wetterparameter Temperatur und ihre Änderungen finden sich über die verschiedenen Testverfahren die meisten signifikanten Korrelationen, die darauf hindeuten, dass extreme Temperaturen und Temperaturwechsel das Auftreten von Synkopen begünstigen könnten. Die in früheren Studien beschriebene Häufung von Synkopen in Abhängigkeit von verschiedenen Wetterparametern kann in unserer Studie bestätigt werden. Die gefundenen Korrelationen waren auch nach Anpassung des Signifikanzniveaus weiterhin signifikant, allerdings sind die jeweiligen berechneten Effektstärken sehr klein. Mit Hilfe der Klimaprojektionen prognostizieren wir einen geringfügigen Anstieg der jährlichen Synkopenzahlen für das RCP2.6-Szenario um 0,15 % bzw. eine Synkope jährlich. Für das RCP4.5-Szenario eine Zunahme um 1,41 %, entsprechend 10 Synkopen und für das RCP8.5-Szenario eine Zunahme um 1,61 %, entsprechend einer Erhöhung der jährlichen Synkopenfälle um elf Synkopen auf insgesamt 694. Durch das Erreichen der Ziele des Klimaabkommens von Paris, dem RCP2.6-Szenario entsprechend, ließen sich basierend auf unseren Ergebnissen also neun beziehungsweise zehn Synkopen jährlich im Raum Kaiserslautern vermeiden. Es lässt sich zusammenfassen, dass dem Wetter und insbesondere den Temperaturparametern ein Einfluss auf die Häufigkeit von Synkopen zugeschrieben werden kann. Dieser sollte jedoch im Kontext patientenbezogener Faktoren sowie in unserer Studie nicht berücksichtigter unbekannter Faktoren nicht überschätzt werden. Zur genaueren Risikoeinschätzung sind weitere Studien, zum Beispiel unter Nutzung eines Klimaindex wie dem UTCI oder WBGT-Index notwendig. Die prognostizierte zunehmende Synkopenhäufigkeit fügt sich damit in die bereits in zahlreichen Studien erwartete steigende Belastung des Gesundheitswesens ein. Daraus abzuleiten ist die dringende Notwendigkeit auf das Erreichen der Pariser Klimaschutzziele hinzuwirken. Für uns Mediziner im Speziellen bedeuten diese Aussichten im Dialog mit unseren Patienten auf die gesundheitlichen Gefahren steigender Temperaturen hinzuweisen, Risikopatienten zu erkennen und Empfehlungen bezüglich des Alltagsverhaltens zu geben sowie das Interaktions- bzw. Nebenwirkungspotenzial von Medikamenten bei Hitzeperioden kritisch zu überprüfen.