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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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:

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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 Kernen • Anschauliche Darstellung von Konzepten & Modellen • Vom Lehrbuchwissen bis zu aktuellen Fragen • Vorstellung moderner experimenteller Methoden • Experimente mit stabilen und

radioaktiven Ionenstrahlen

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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

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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-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

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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

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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

• 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

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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 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

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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