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L. Csaszar:
"Discussion, simulation and foundations of experimental tests of phenomena with superimposed signals through the example of time dependent radioactive decay";
Betreuer/in(nen): G. Badurek, E. Jericha; Atominstitut, 2017; Abschlussprüfung: 16.01.2018.

Um in den von einem realen Messaufbau gelieferten Daten einen Effekt geringer Amplitude vom statistischen und systematischen Untergrund zu isolieren, ist, vor allem wenn beide Beiträge von vergleichbarer Größenordnung sind, die Kenntnis über den systematischen Untergrund eine wesentliche Voraussetzung. Ist das eigentliche Signal besonders klein, so verschwindet es mitunter vollständig im Untergrund. Um die Möglichkeiten derartiger Messsituationen zu untersuchen wurde eine Computersimulation geschrieben, die es dem Nutzer ermöglicht, Datensätze zu simulieren als stammten sie aus einem realen Versuchsaufbau. Dabei können die vorherrschenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten naturgemäß nach Belieben vorgegeben werden. Anhand der Simulationsergebnisse kann untersucht werden, ob und unter welchen Bedingungen das tatsächlich vorhandene Messsignal statistisch signifikant nachweisbar ist. Dazu lassen sich in der Simulation auch verschiedene Analysemethoden implementieren und anwenden. Als Arbeitsbeispiel wurde die Idee zeitabhängigen radioaktiven Zerfalls (E. Fischbach, J. H. Jenkins, P. A. Sturrock et al.) herangezogen und durch ein einfaches physikalisches Modell - eine Modifikation des allseits bekannten exponentiellen Zerfallsgesetzes um eine zeitabhängige Oszillation der Zerfallskonstante - beschrieben. Mittels der durch die Simulation erzeugten Datensätze wurden Analysemethoden wie Autokorrelation, Glättung und verschiedene Arten der Normierung auf ihre Tauglichkeit, die eingeführte Oszillation zu detektieren, getestet.Es stellte sich heraus, dass nur eine Kombination aller möglichen Analysemethoden zu einem sinnvollen Ergebnis führen kann. Es ist damit aber gelungen, Oszillationen mit einer relativen Amplitude von bis zu 10 (-7) nachzuweisen. Die entstandene Simulation und die theoretische Arbeit können als Grundlage für andere Anwendungsbereiche dienen.

In order to distinguish effects of small amplitude from the statistical and systematic Background in the data gathered by a real measurement setup, knowledge about the systematic Background is essential, even more so if both contributions (measurement signal and background signal) are of comparable magnitude. Tiny signals might become even completely obscured. To allow for investigation of such measurement situations, a computer simulation framework was established. It enables the user to generate data sets similar to those obtained by a real experimental setup. Naturally, the applied physical laws in such a computer program can be arbitrary. The results of the simulation are used to investigate under which circumstances an actual effect can be determined with statistical significance. In order to do that, various analysis methods can be implemented and used in the framework. Time dependent radioactive decay (E. Fischbach, J. H. Jenkins, P. A. Sturrock et al.) serves as an example to establish the contents of this work. On the basis of a simple model of such "new physics" - given by the introduction of a time dependent decay constant into the well-known exponential law of decay - it was attempted to isolate the introduced oscillation by means of several analysis methods like autocorrelation, smoothing and different kinds of normalization. It turned out that only a combination of all available methods can provide usable results. That way it was possible to detect oscillations with a relative amplitude of down to 10 (-7). From such tests one can derive conclusions to support real experiments and characterize essential parameters. The flexibility of the framework allows the application to other physical models as well.

Time dependent radioactive decay / weak signal detection / mathematical concepts