Transcript Vorlesung 1 - Institut für Kernphysik
Moderne Experimente der Kernphysik
Wintersemester 2011/12 Vorlesung 01 – 19.10.2011
1
Vorlesung
Montag 11:40 - 13:20 Uhr, S3 06 / 052 Mittwoch 13:30 - 14:15 Uhr, S1 15 / 138 Dozent: Professor Dr. Thorsten Kröll Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9 S2 14 / 306 Tel.: 06151-16-2925 email: [email protected]
Sprechstunde: nach Vereinbarung … email, Anruf, nach der Vorlesung Vertretung Dr. Marcus Scheck Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9 S2 14 / 5. Stock Tel.: 06151-16-2469
2
email: [email protected]
Vorlesung
Montag 11:40 - 13:20 Uhr, S3 06 / 052 Mittwoch 13:30 - 14:15 Uhr, S1 15 / 138 Dozent: Professor Dr. Thorsten Kröll Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9 S2 14 / 306 Tel.: 06151-16-2925 email: [email protected]
Sprechstunde: nach Vereinbarung … email, Anruf, nach der Vorlesung Vertretung Dr. Marcus Scheck Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9 S2 14 / 5. Stock Tel.: 06151-16-2469
3
email: [email protected]
Webseite zur Vorlesung
http://www.ikp.tu-darmstadt.de/dasinstitut/gruppen/agkroell/ tk_lehre/ …???
• •
Termine & wichtige Hinweise
• •
Unterlagen Vorlesungspräsentationen … Web-Links sowie:
4
Übungen
Mittwoch 14:25 - 15:10 Uhr, S1 15 / 138 Betreuer: Dr. Stoyanka Ilieva Dr. Alexander Ignatov Dr. Marcus Scheck Wir werden zwischen 4V+0Ü, 3V+1Ü und 2V+2Ü wechseln, je nach Programm in den Übungen: - Rechnen von Aufgaben - Arbeiten mit Originalliteratur - eigenes Experiment im Labor - Besuch bei der GSI … und was wir uns noch haben einfallen lassen ….
Lassen sie sich überraschen!!!
5
Schein • • •
Regelmäßige Teilnahme an der Vorlesung Aktive Teilnahme an den Übungen Kurzes Prüfungsgespräch im Anschluß an das Semester
6
Lernziele
Die Studierenden lernen
•
wie man systematisch an wissenschaftliche Fragestellungen herangeht
•
wie man mit Originalarbeiten arbeitet
•
wie man physikalische Erkenntnisse wissenschaftlich kommuniziert und diskutiert
•
anhand von eigenen Experimenten im Labor wie man ein Experiment plant, aufbaut und mit Detektoren arbeitet, die Daten auswertet und interpretiert
•
bei einem Besuch der GSI wie die Grossexperimente, die in der Vorlesung behandelt werden, in "echt" ausschauen
7
Themen der Vorlesung
• Struktur und Dynamik von Kernen • Anschauliche Darstellung von Konzepten & Modellen • Vom Lehrbuchwissen bis zu aktuellen Fragen • Vorstellung moderner experimenteller Methoden • Experimente mit stabilen und
radioaktiven Ionenstrahlen
8
Literatur
• Grundlagen – T. Mayer-Kuckuk: Kernphysik – R.F. Casten, Nuclear Structure from a Simple Perspective – K. Heyde, Basic Ideas and Concepts in Nuclear Physics – J. Al-Khalili: The Euroschool Lectures on Physics with
exotic beams I-III
• Experimentelle Methoden – G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement – W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics
Experiments
• Originalliteratur (eventuell zu suchen) oder gestellt • Handouts werden ausgegeben 9
Themen WS 2011/12 (1)
• Einführung • Produktion exotischer Kerne
- ISOL (TRIUMPH, ISOLDE) - Fragmentation-in-flight (GSI, NSCL@MSU)
•
- Identifikation von Kernen … was habe ich eigentlich produziert?
Elektromagnetische Übergänge - Gamma-Übergänge: Winkelverteilung, Übergangswahrscheinlichkeiten (B(
p
,L)-Werte),… - Gamma-Detektoren
• Coulombanregung
- Theorie und praktische Beispiele - Bestimmung von B(E2)-Werten - Teilchendetektoren:: PPAC und Si-Detektoren
10
Themen WS 2011/12 (2)
• Oktupolkorrelationen in Kernen
- Bestimmung von B(E3)- und B(E1)-Werten mit Coulex
• Laserspektroskopie von Atomen mit exotischen Kernen
… was lerne ich dabei über Kerne?
- Methode: kollineare Laserspektroskopie - Spins, elektrische und magnetische Momente
• Halo-Kerne • Schalenmodell
- Deformiertes Schalenmodell: Nilsson-Modell - Modifikation magischer Zahlen bei exotischen Kernen - Methode: Transfer- und Knockout-Reaktionen, quasi-freie Streuung; spektroskopische Faktoren
• g-Faktoren und magnetische Momente
- Methode: PAC, transiente Felder
11
Themen WS 2011/12 (3)
•
Restwechselwirkungen und „Seniorität“
• Nukleon-Nukleon-Potenziale • Kollektive Anregungen I: Rotationen
- Superdeformation, Hyperdeformation - Methode: Fusions-Verdampfungsreaktionen, 4
p
-Germanium-spektrometer
• Lebensdauermessungen
- Methoden: DSAM, RDM, fast timing, …
• Kollektive Anregungen II: Vibrationen
- Oberflächenvibrationen, PDR und Riesenresonanzen - Methode: Relativistische Coulombanregung, KRF
• IBA und Formphasenübergänge • Formkoexistenz
- Methode: E0-Übergänge,
a
-Zerfall
12
Themen WS 2011/12 (4)
• N=Z-Kerne
- Isospin - Methode:
b
-Zerfall
• Superschwere Elemente
- Strutinski-Schalenkorrektur-Methode - Produktion superschwerer Elemente - Chemie von SHE
• Hyperkerne • Zusammenfassung und Ausblick 13
Supernovae Spektrum der Kernphysik Urknall Galaxien Quarks & Leptonen Sonne 10 20 m 10 16 m 10 9 m 10 7 m 1 m 0
10 26 m 10 –8 m <10 –21 m 10 –10 m 10 –14 m AMS für Klima forschung Nuklear medizin NMR von Proteinen Atome in Fallen 10 –15 m Hadronen Kerne
14
Hierarchie der starken Wechselwirkung Quarks & Gluonen QCD ?
Effektive freie Nukleon-Nukleon Wechselwirkung (ab-initio Modelle) Protonen & Neutronen Die Natur der effektiven NN-Wechselwirkung ist nicht verstanden !!
Leichte Kerne (A
12) ?
Effektive in-medium Nukleon-Nukleon Wechselwirkung Schwere Kerne
15
Nukleare Weltkarte
Meilenstein der Kernstruktur Schalenmodell
magische Zahlen ... auch für exotische Kerne???
Protonenabbruchkante “proton dripline”?
r-Prozess Kerne Neutronenabbruchkante “neutron dripline”?
• • •
Grenzen der Existenz weitestgehend unbekannt Änderung der Kernstruktur???
Elementsynthese in Sternen
17
V Evolution des Kernpotentials - Isospinabhängigkeit
•Wie verändert sich das zentrale Potential durch den Neutronenüberschuss? •Wie hängt die Spin-Bahn Kopplung vom Isospin ab?
V LS
d dr V central
Spin-Bahn Kopplung Tal der Stabilität neutronenreiche Kerne r V r
18
Woher kommen die chem. Elemente im Universum?
Elementsynthese in Supernovae: r-Prozess und Schalenstruktur Veränderte Schalenstruktur „normale“ Schalenstruktur Pfeiffer et al.
Z. Phys. A357 (97) 235 ... aber NICHT die einzige Erklärungsmöglichkeit!!!
19
„Asymptotische Freiheit“ der Modelle Warum nicht einfach extrapolieren???
… Modellen mangelt es an Vorhersagekraft!!!
20
14 12 Z 10 8 6 4 2 0 0 Radien exotischer Kerne Lehrbuchwissen: Kernradius = (1.2 – 1.5 fm) * A 1/3 A=19 5 A=11 10 N 15 20 25 I. Tanihata et al.
21
Halo-Kerne und Neutronenhäute Z=50 Z=30
22
Veränderung der Schalenstruktur 1 N=20 Sauerstoff (Z=8) N=16
nicht gebunden gebunden
N=8 8 20 N=14 24 O Neue magische Zahl N=16 Neue pn-Restwechselwirkung erm öglicht Existenz von 31 F: 1 Proton mehr bindet weitere 6 Neutronen!!!
N=20
23
Veränderung der Schalenstruktur 2 Lehrbuchwissen: Kerne mit magischen Nukleonenzahlen sind sphärisch Magische Zahl N=20 ist f ür neutronenreiche Kerne verschwunden
150 N=20 100
ohne N=20 Schale
50
mit N=20 Schale
0 38 36 34 32 30 Ar S Si Mg Ne T. Motobayashi et al.
deformiert
24
Wie produziert und misst man radioaktive Kerne???
Produktion von radioaktiven Strahlen:
• Fragmentation “in-flight” • ISOL (Isotope Separation On-Line)
Messgrössen:
• Existenz von Kernen • Massen, Radien, Halbwertszeiten • Anregungsenergien, Spins, Paritäten, Übergangsmatrixelemente,
Lebensdauern, g-Faktoren und magn. Momente, spektr. Faktoren
• ... • • • • •
Messmethoden:
g
- und Teilchenspektroskopie nach Coulombanregung Ein- und Mehrnukleontransferreaktionen Knockout-Reaktionen Fragmentation Zerfallsspektroskopie
25
Institute mit radioaktiven Strahlen Derzeit: REX-ISOLDE (CERN) RIBF… seit 2007 (RIKEN, Japan) GSI (Deutschland) … NSCL/MSU (USA) ISAC (TRIUMF, Kanada) GANIL (Frankreich) Louvain-la-Neuve (Belgien) HRIB (Oak Ridge, USA) Zukunft: FAIR (Deutschland/Europa) RIA?? (USA) SPIRAL2 (Frankreich/Europa) EURISOL (Europa) sowie SPES (LNL, Italien), EXCYTE (LNS, Italien), ...
26
Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) heute in Darmstadt
100 m UNILAC SIS FRS ESR
SIS 100/200 HESR CR Super FRS NESR
27
FAIR in Darmstadt
28
Production radioactiver Strahlen
Methoden – Ueberblick: - Super Novae Typ II - Fragmentation im Flug (MSU, GSI -> FAIR) - Isotope online separation (ISOL)-Technik (ISOLDE, TRIUMPH) - Spaltquelle z.B. 252 Cf (CARIBU @ Argonne National Lab) - Fusions-Verdampfungsreaktionen (z.B. JYFL) 29
Produktion von radioaktiven Strahlen 1 – Fragmentation Projektilfragmentation bei relativistischen Energien Abb. von T. Glasmacher (NSCL/MSU) Beide Fragmente sind hochangeregt und dampfen Neutronen ab
30
100 Sn-Experiment @ FRS (GSI) Teilchenidentifizierung Masse A
31
Produktion von radioaktiven Strahlen 2 – ISOL Methode
Driver Beschleuniger p, d Produktions target Ionen quelle Experiment Nachbeschleuniger (5-10 MeV/A) Massen Separator Experiment
Reaktor
n Produktions target Ionen quelle Massen Separator Nachbeschleuniger (5-10 MeV/A) 32
REX-ISOLDE @ CERN
33
REX-ISOLDE @ CERN
34
REX-ISOLDE @ CERN 2 “Ladungsbrüten” A/q ~ 4
REX-Trap RIB RFQ EBIS charge-breeder IHS 9 Gap 3x 7Gap
Courtesy: http://isolde.web.cern.ch/ISOLDE/
Miniball 35
REX-ISOLDE @ CERN 3
36
Detektoren und Messmethoden
K
+
1.05 GeV
p + 37