Vorlesung 1 - Institut für Kernphysik

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Transcript Vorlesung 1 - Institut für Kernphysik

Moderne Experimente der Kernphysik

Wintersemester 2011/12 Vorlesung 01 – 19.10.2011

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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

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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

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Webseite zur Vorlesung

http://www.ikp.tu-darmstadt.de/dasinstitut/gruppen/agkroell/ tk_lehre/ …???

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Termine & wichtige Hinweise

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Unterlagen Vorlesungspräsentationen … Web-Links sowie:

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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!!!

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Schein • • •

Regelmäßige Teilnahme an der Vorlesung Aktive Teilnahme an den Übungen Kurzes Prüfungsgespräch im Anschluß an das Semester

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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

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Themen der Vorlesung

Struktur und Dynamik von KernenAnschauliche Darstellung von Konzepten & Modellen Vom Lehrbuchwissen bis zu aktuellen FragenVorstellung moderner experimenteller MethodenExperimente mit stabilen und

radioaktiven Ionenstrahlen

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Literatur

GrundlagenT. Mayer-Kuckuk: KernphysikR.F. Casten, Nuclear Structure from a Simple PerspectiveK. Heyde, Basic Ideas and Concepts in Nuclear PhysicsJ. Al-Khalili: The Euroschool Lectures on Physics with

exotic beams I-III

Experimentelle MethodenG.F. Knoll, Radiation Detection and MeasurementW.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics

Experiments

Originalliteratur (eventuell zu suchen) oder gestelltHandouts werden ausgegeben 9

Themen WS 2011/12 (1)

EinführungProduktion 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

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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-KerneSchalenmodell

- 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

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Themen WS 2011/12 (3)

Restwechselwirkungen und „Seniorität“

Nukleon-Nukleon-PotenzialeKollektive 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

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Themen WS 2011/12 (4)

N=Z-Kerne

- Isospin - Methode:

b

-Zerfall

Superschwere Elemente

- Strutinski-Schalenkorrektur-Methode - Produktion superschwerer Elemente - Chemie von SHE

HyperkerneZusammenfassung 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

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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

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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

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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

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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!!!

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„Asymptotische Freiheit“ der Modelle Warum nicht einfach extrapolieren???

… Modellen mangelt es an Vorhersagekraft!!!

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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.

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Halo-Kerne und Neutronenhäute Z=50 Z=30

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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

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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

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Wie produziert und misst man radioaktive Kerne???

Produktion von radioaktiven Strahlen:

Fragmentation “in-flight”ISOL (Isotope Separation On-Line)

Messgrössen:

Existenz von KernenMassen, 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

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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), ...

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Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) heute in Darmstadt

100 m UNILAC SIS FRS ESR

SIS 100/200 HESR CR Super FRS NESR

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FAIR in Darmstadt

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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

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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

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REX-ISOLDE @ CERN

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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

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Detektoren und Messmethoden

K

+

1.05 GeV

p + 37