Browsing by department "Department of Physical Sciences"
Now showing items 21-32 of 32
-
(Helsingin yliopistoUniversity of HelsinkiHelsingfors universitet, 2004)
-
(Helsingin yliopistoUniversity of HelsinkiHelsingfors universitet, 2003)Sateen intensiteettiä (R) oli ennen tätä työtä tutkittu Suomessa pääasiassa maanpinnalla tehdyistä sademittarimittauksista. Tässä työssä hyödynnettiin säätutkan ylivoimaista ajallista ja alueellista resoluutiota havaita sadetta sademittareihin verrattuna, vertailtiin säätutkan ja sademittarin mittaamaa sateen intensiteettiä ja muodostettiin valtavasta havaintoaineistosta sateen intensiteetin todennäköisyysjakaumia, joilla on sovellusarvoa mm. mitoitettaessa kaupunkien viemäriverkostoja. Teoreettisena sateen intensiteetin todennäköisyysjakaumana käytettiin lognormaalijakaumaa. Säätutka-sademittarivertailussa havaintoaineistona oli noin 60000 Vaisalan FD12P:llä mitattua havaintoa kymmenen minuutin sateen intensiteetistä. Säätutkamittauksia Ilmatieteen laitoksen säätutkilta oli kaikkiaan noin 10 miljardia Suomen maa-alueilta Lappia lukuun ottamatta, joista saderajaksi valittu 10 dBZ-yksikköä ylittyi noin 6,7 % havainnoista. Havaintoaineistot oli kerätty kesä-, heinä- ja elokuilta 2000-2002. Säätutka mittaa tutkaheijastavuustekijää (Z) vaikutustilavuudesta, joka kasvaa ja nousee ylemmäs maanpinnasta mitä kauempana tutkasta mittaus tehdään. Vaikutustilavuudessa voi olla vesipisaroiden lisäksi mm. lumihiutaleita, rakeita, lintuja, hyönteisiä ja korkeita rakennuksia. Kun otetaan aineistoa vain 40-100 km:n etäisyydeltä tutkista ja tehdään siihen raekorjaus, on saaduissa Z:n todennäköisyysjakaumissa lähinnä vesipisaroista saatuja mittausarvoja. Näin voidaan käyttää R(Z)-muunnosta Z=250R1,5 ja saada hetkellisen aluesadannan todennäköisyyksiä 0-1,2 km2:n kokoisille alueille. Tällaiset hetkellisen aluesadannan todennäköisyysjakaumat voidaan samaistaa 0-2,4 minuutin pistesadannan mittauksiksi, kun oletetaan, että satava alue liikkuu keskimäärin 10 m/s. Saatujen tulosten mukaan 1,5 minuutin pistesadannan intensiteetti ylittää yksittäisessä havaintopaikassa Suomen maa-alueilla kerran vuodessa noin 90 mm/h, kerran sadassa vuodessa noin 400 mm/h ja kerran 10000 vuodessa noin 1200-1600 mm/h.
-
(Helsingin yliopistoHelsingfors universitetUniversity of Helsinki, 2005)Planeettainvälisessä avaruudessa havaitaan runsaasti Auringosta peräisin olevia korkeaenergiaisia hiukkasia. Havainnot voidaan jakaa karkeasti lyhyt- ja pitkäkestoisiin. Yleisin selitys jälkimmäisille on diffusiivinen shokkikiihdytys koronan massapurkausten edellään työntämissä shokkiaalloissa. Hiukkaset siroavat shokin turbulentista sähkömagneettisesta kentästä ja saavat lisää energiaa ylittäessään shokkirintaman monta kertaa. Kiihdytys alkaa koronassa ja jatkuu useiden päivien ajan massapurkauksen liikkuessa poispäin Auringosta. Havaintojen mukaan koronassa tapahtuva kiihdytys, jossa protonit voivat saavuttaa jopa 1 GeV suuruusluokkaa olevan energian, tapahtuu minuuttien aikaskaaloissa. Korkeaenergiaisten hiukkasten energiaspektri on tyypillisesti potenssilaki dN/dE ~ E^{-sigma}, missä sigma on lähellä ykköstä oleva vakio. Opinnäytteessä esitellään diffusiivisen shokkikiihdytyksen teoria ja tutkitaan kiihdytystä testihiukkassimulaatiolla. Koronan aktiivista aluetta mallinnetaan yksinkertaistetulla magneettikentällä. Simulaatiossa lasketaan tasomaisen shokin eteen injektoitujen protonien ratoja siihen asti, kun ne joko osuvat Auringon pintaan tai karkaavat planeettainväliseen avaruuteen. Lopputuloksista lasketuista statistiikoista etsitään kiihdytykseen vaikuttavia tekijöitä. Saatujen tuloksien perusteella koronan magneettikentän geometrialla on suuri merkitys saavutettavaan energiaan. Tehokkainta kiihdytys on geometrioissa, joissa shokki on lähes poikittainen. Erityisesti sironnan ei tarvitse olla voimakasta suurten energioiden saavuttamiseksi. Sen vaikutus näyttäisi olevan enneminkin jakaumafunktion isotropisointi, jolloin energiaspektristä tulee potenssilakimuotoinen.
-
(Helsingin yliopistoUniversity of HelsinkiHelsingfors universitet, 2004)
-
(Helsingin yliopistoHelsingfors universitetUniversity of Helsinki, 2007)This thesis integrates real-time feedback control into an optical tweezers instrument. The goal is to reduce the variance in the trapped bead s position, -effectively increasing the trap stiffness of the optical tweezers. Trap steering is done with acousto-optic deflectors and control algorithms are implemented with a field-programmable gate array card. When position clamp feedback control is on, the effective trap stiffness increases 12.1-times compared to the stiffness without control. This allows improved spatial control over trapped particles without increasing the trapping laser power.
-
(Helsingin yliopistoHelsingfors universitetUniversity of Helsinki, 2008)In technicolor theories the scalar sector of the Standard Model is replaced by a strongly interacting sector. Although the Standard Model has been exceptionally successful, the scalar sector causes theoretical problems that make these theories seem an attractive alternative. I begin my thesis by considering QCD, which is the known example of strong interactions. The theory exhibits two phenomena: confinement and chiral symmetry breaking. I find the low-energy dynamics to be similar to that of the sigma models. Then I analyze the problems of the Standard Model Higgs sector, mainly the unnaturalness and triviality. Motivated by the example of QCD, I introduce the minimal technicolor model to resolve these problems. I demonstrate the minimal model to be free of anomalies and then deduce the main elements of its low-energy particle spectrum. I find the particle spectrum contains massless or very light technipions, and also technibaryons and techni-vector mesons with a high mass of over 1 TeV. Standard Model fermions remain strictly massless at this stage. Thus I introduce the technicolor companion theory of flavor, called extended technicolor. I show that the Standard Model fermions and technihadrons receive masses, but that they remain too light. I also discuss flavor-changing neutral currents and precision electroweak measurements. I then show that walking technicolor models partly solve these problems. In these models, contrary to QCD, the coupling evolves slowly over a large energy scale. This behavior adds to the masses so that even the light technihadrons are too heavy to be detected at current particle accelerators. Also all observed masses of the Standard Model particles can be generated, except for the bottom and top quarks. Thus it is shown in this thesis that, excluding the masses of third generation quarks, theories based on walking technicolor can in principle produce the observed particle spectrum.
-
(Helsingin yliopistoUniversity of HelsinkiHelsingfors universitet, 2005)As a full-grown science, cosmology is relatively young. Even though man has pondered the existence and structure of the universe throughout his history, the lack of actual observational data has prevented analytical research. Observational cosmology can be seen to have born in the 1920’s when Edwin Hubble discovered that the galaxies surrounding us are receding in all directions. This led to the conclusion that the universe around us is itself actually expanding. Expansion occurring isotropically in all directions indicates that the universe was once much denser and hotter. So hot that the matter in it has been completely ionized plasma. The decrease in temperature caused by the expansion is calculated to have caused the neutralizing of the plasma, recombination, over thirteen billion years ago. The instant is cosmologically remarkable, since light that until that moment scattered frequently from the charged particles now began to propagate freely. Initially at three thousand Kelvin temperature, the radiation has cooled down due to expansion and is now observed as the three Kelvin cosmic microwave background radiation (CMB). First observations of the existence of the CMB date back to 1965. Since the background radiation has traveled its long journey relatively unchanged, its study can yield direct information on the conditions of the early universe. Theoretically it was expected, well before observational confirmation in 1992, that the CMB should have a structure that reflects those inhomogeneities, that have now undergone their ten billion years of evolution, to become the large scale structure we observe: galaxies, galaxy clusters and the evermore larger entities. In this thesis we examine, how the effects of two cosmological parameters, the matter and baryon densities of the universe, manifest in the pre-recombination dynamics and how these effects are reflected in the structure of the observed CMB anisotropy. Baryons are the “ordinary” matter all around us, protons and neutrons. The concept of “matter” is extended to include the unknown dark matter, the existence of which is only known through its gravitational effects. We will review the equations that are necessary to track the evolution of the primordial perturbations. By a computer program based on those equations we display how the early universe dynamics change with the values of the density parameters. Finally we will show how these effects are reflected in the angular power spectrum that describes the structure of the microwave background.
-
(Helsingin yliopistoHelsingfors universitetUniversity of Helsinki, 2007)The efforts of combining quantum theory with general relativity have been great and marked by several successes. One field where progress has lately been made is the study of noncommutative quantum field theories that arise as a low energy limit in certain string theories. The idea of noncommutativity comes naturally when combining these two extremes and has profound implications on results widely accepted in traditional, commutative, theories. In this work I review the status of one of the most important connections in physics, the spin-statistics relation. The relation is deeply ingrained in our reality in that it gives us the structure for the periodic table and is of crucial importance for the stability of all matter. The dramatic effects of noncommutativity of space-time coordinates, mainly the loss of Lorentz invariance, call the spin-statistics relation into question. The spin-statistics theorem is first presented in its traditional setting, giving a clarifying proof starting from minimal requirements. Next the notion of noncommutativity is introduced and its implications studied. The discussion is essentially based on twisted Poincaré symmetry, the space-time symmetry of noncommutative quantum field theory. The controversial issue of microcausality in noncommutative quantum field theory is settled by showing for the first time that the light wedge microcausality condition is compatible with the twisted Poincaré symmetry. The spin-statistics relation is considered both from the point of view of braided statistics, and in the traditional Lagrangian formulation of Pauli, with the conclusion that Pauli's age-old theorem stands even this test so dramatic for the whole structure of space-time.
-
(Helsingin yliopistoUniversity of HelsinkiHelsingfors universitet, 2006)Tietokonetomografiatutkimusten (TT-tutkimusten) määrä on kasvussa, ja niistä aiheutuu merkittävä osa röntgentutkimusten väestölle aiheuttamasta kollektiivisesta annoksesta. Jotta potilaan saama säteilyannos voitaisiin määrittää tarkasti, luotettavasti ja vertailukelpoisesti, mittalaitteet on kalibroitava kansainväliseen mittausjärjestelmään jäljittyvällä tavalla käyttä-en sovittuja standardisäteilylaatuja. TT-laitteen annosmittauksissa käytetään erityisiä pitkiä sylinterin mallisia ionisaatiokammiota (TT-kammio eli DLP-kammio), joilla mitataan ilma-kerman ja pituuden tuloa. TT-kammioidenkalibrointiin ei ole ollut vakiintunutta menettelyä Säteilyturvakeskuksessa (STUK) eikä yleisesti hyväksyttyä kansainvälistä ohjetta. STUK osallistuu Kansainvälisen atomienergiajärjestön IAEA:n ohjeluonnoksen (2005) koekäyttöön. Tässä työssä oli tarkoitus testata ohjeessa esitettyä TT-kammioiden kalibrointimenetelmää sekä aikaisemmin julkaistuja menetelmiä, kehittää niiden pohjalta STUKille oma kalibrointikäytäntö ja testata sen toimintaa. Työssä tarkasteltiin erilaisia kalibrointimenetelmiä ja TT-kammion toimintaa. Mittausten perusteella päädyttiin menettelyyn, jossa kalibrointi suoritetaan mittaamalla TT-kammion vastetta kolmella erilevyisellä säteilykeilan lisärajoittimen aukolla. Kammion vasteen tasai-suutta voidaan lisäksi tutkia 1 cm:n levyisellä aukolla. Kalibrointikerroin saadaan vertaamal-la kalibroitavalla TT-kammiolla mitattuja tuloksia vertailumittarilla (mittanormaalilla) saa-tuihin tuloksiin. TT-kammion kalibroinnissa vertailumittari on sylinteri-ionisaatiokammio. Jos halutaan arvioida kalibroitavan TT-kammion efektiivistä pituutta, on kammion kalib-rointikerroin laskettava myös TT-kammiolla avokentässä tehtyjen mittausten perusteella. Työssä esitellyllä menetelmällä saadun kalibrointikertoimen kokonaisepävarmuus on 2,4 %. TT-laitteen annosmittaustilanteessa yksinkertaisinta on arvioida sopiva kalibrointikerroin pelkän putkijännitteen avulla, joka nostaa kalibrointikertoimesta tulokseen aiheutuvat kokonaisepävarmuuden 4,7 prosenttiin, sillä kalibrointikerroin riippuu sekä röntgenputken jännitteestä että säteilyn suodatuksesta.
-
Topological Quantum Computation : An Analysis of an Anyon Model Based on Quantum Double Symmetries (Helsingin yliopistoUniversity of HelsinkiHelsingfors universitet, 2006)There exists various suggestions for building a functional and a fault-tolerant large-scale quantum computer. Topological quantum computation is a more exotic suggestion, which makes use of the properties of quasiparticles manifest only in certain two-dimensional systems. These so called anyons exhibit topological degrees of freedom, which, in principle, can be used to execute quantum computation with intrinsic fault-tolerance. This feature is the main incentive to study topological quantum computation. The objective of this thesis is to provide an accessible introduction to the theory. In this thesis one has considered the theory of anyons arising in two-dimensional quantum mechanical systems, which are described by gauge theories based on so called quantum double symmetries. The quasiparticles are shown to exhibit interactions and carry quantum numbers, which are both of topological nature. Particularly, it is found that the addition of the quantum numbers is not unique, but that the fusion of the quasiparticles is described by a non-trivial fusion algebra. It is discussed how this property can be used to encode quantum information in a manner which is intrinsically protected from decoherence and how one could, in principle, perform quantum computation by braiding the quasiparticles. As an example of the presented general discussion, the particle spectrum and the fusion algebra of an anyon model based on the gauge group S_3 are explicitly derived. The fusion algebra is found to branch into multiple proper subalgebras and the simplest one of them is chosen as a model for an illustrative demonstration. The different steps of a topological quantum computation are outlined and the computational power of the model is assessed. It turns out that the chosen model is not universal for quantum computation. However, because the objective was a demonstration of the theory with explicit calculations, none of the other more complicated fusion subalgebras were considered. Studying their applicability for quantum computation could be a topic of further research.
-
(Helsingin yliopistoUniversity of HelsinkiHelsingfors universitet, 2003)
-
(Helsingin yliopistoUniversity of HelsinkiHelsingfors universitet, 2005)
Now showing items 21-32 of 32