Superschwere ElementeDie Reise zur Insel der Stabilität

Steffen Therre

Fakultät für Physik und Astronomie,Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

13. Juni 2014Präzisionsexperimente der Teilchenphysik

EinleitungErzeugung & Analyse

Ausblick

Inhalt

1 EinleitungMotivationGrundlagenGeschichte

2 Erzeugung & AnalyseMethoden der ErzeugungMessungErgebnisse

3 AusblickStand der DingeLand in Sicht?

Steffen Therre Superschwere Elemente 2

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Ausblick

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1 EinleitungMotivationGrundlagenGeschichte

2 Erzeugung & AnalyseMethoden der ErzeugungMessungErgebnisse

3 AusblickStand der DingeLand in Sicht?

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1 EinleitungMotivationGrundlagenGeschichte

2 Erzeugung & AnalyseMethoden der ErzeugungMessungErgebnisse

3 AusblickStand der DingeLand in Sicht?

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MotivationGrundlagenGeschichte

Inhalt

1 EinleitungMotivationGrundlagenGeschichte

2 Erzeugung & AnalyseMethoden der ErzeugungMessungErgebnisse

3 AusblickStand der DingeLand in Sicht?

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Ausblick

MotivationGrundlagenGeschichte

Was sind Superschwere Elemente?

Unterschiedliche Definitionen:TransuraneElemente mit Ordnungszahl größer als Uran (U): Z > 92

TransactinoideElemente mit Ordnungszahl größer als schwerstes ActinoidLawrencium (Lr): Z > 103

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Ausblick

MotivationGrundlagenGeschichte

Das Periodensystem

Quelle:chemistry.about.com

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Ausblick

MotivationGrundlagenGeschichte

Die Nuklidkarte

Gibt es neues Land hinter dem Nuklidkontinent?Quelle:commons.wikimedia.org

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Ausblick

MotivationGrundlagenGeschichte

Grundlagen

Wie funktioniert Kernphysik?ein kurzer Blick in die Theorie

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Ausblick

MotivationGrundlagenGeschichte

Tröpfchenmodell

PrinzipWW der Nukleonen im Kern entspricht WW der Wassermoleküleim Wassertropfen.

Bindungsenergie abhängig von A & Z, beschrieben durchWeizsäcker-Formel

leichte Kerne: N ≈ Z , schwere: N > Zstarke WW vs. Coulomb-WW

Aber: bei großen N, Z wird Bindung stärker

Quelle:wikimedia.commons.com

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MotivationGrundlagenGeschichte

Tröpfchenmodell

PrinzipWW der Nukleonen im Kern entspricht WW der Wassermoleküleim Wassertropfen.

Bindungsenergie abhängig von A & Z, beschrieben durchWeizsäcker-Formel

leichte Kerne: N ≈ Z , schwere: N > Zstarke WW vs. Coulomb-WW

Aber: bei großen N, Z wird Bindung stärker

Quelle:wikimedia.commons.com

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Ausblick

MotivationGrundlagenGeschichte

Kernschalenmodell

analog zum AtomschalenmodellUnterschiedliche Bindungsenergiender Nukleonenmagische Zahlen:2, 8, 20, 28, 50, 82, 126

Wichtig: Gilt für Neutronen undProtonen getrennt!besonders stabil: doppelt magischeNuklide4He, 16O, 40Ca, 48Ca, 48Ni, 208Pb

Potentialtopfmodell

Quelle:triumf.ca

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Kernschalenmodell

analog zum AtomschalenmodellUnterschiedliche Bindungsenergiender Nukleonenmagische Zahlen:2, 8, 20, 28, 50, 82, 126

Wichtig: Gilt für Neutronen undProtonen getrennt!besonders stabil: doppelt magischeNuklide4He, 16O, 40Ca, 48Ca, 48Ni, 208Pb

Potentialtopfmodell

Quelle:triumf.ca

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Island of Stability

Postulat – Glenn T. SeaborgEs gibt ein Gebiet stabiler Nuklide für Z > 110.

Quelle:damninteresting.com

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MotivationGrundlagenGeschichte

Island of Stability

Quelle:commons.wikimedia.com

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Ausblick

MotivationGrundlagenGeschichte

Sinn der SHE-Forschung

Wie schwer können Atome werden?Bestätigung/Wiederlegung von Theorien und ModellenKenntnisgewinn in Kernphysik

We search for the island ofstability because, like MountEverest, it is there.

Oliver Sachs

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Ausblick

MotivationGrundlagenGeschichte

Sinn der SHE-Forschung

Wie schwer können Atome werden?Bestätigung/Wiederlegung von Theorien und ModellenKenntnisgewinn in Kernphysik

We search for the island ofstability because, like MountEverest, it is there.

Oliver Sachs

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Ausblick

MotivationGrundlagenGeschichte

Geschichte

1937: erste künstliche Elementerzeugung (9743Tc)1940: Erzeugung von Neptunium-23923892U

NC−−→ 23992U

β−−−→ 239

93Np

von Neutronen zu Ionen (HILAC, Dubna)erfolgreiche Erzeugung schwerer Transurane (1949)24195Am + 4

2He → 24397Bk + 210n

seit 1975: UNILAC an der GSI in Darmstadtschwerste Elemente erzeugt in Dubna (JINR)

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MotivationGrundlagenGeschichte

Geschichte

1937: erste künstliche Elementerzeugung (9743Tc)1940: Erzeugung von Neptunium-23923892U

NC−−→ 23992U

β−−−→ 239

93Np

von Neutronen zu Ionen (HILAC, Dubna)erfolgreiche Erzeugung schwerer Transurane (1949)24195Am + 4

2He → 24397Bk + 210n

seit 1975: UNILAC an der GSI in Darmstadtschwerste Elemente erzeugt in Dubna (JINR)

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MotivationGrundlagenGeschichte

Geschichte

1937: erste künstliche Elementerzeugung (9743Tc)1940: Erzeugung von Neptunium-23923892U

NC−−→ 23992U

β−−−→ 239

93Np

von Neutronen zu Ionen (HILAC, Dubna)erfolgreiche Erzeugung schwerer Transurane (1949)24195Am + 4

2He → 24397Bk + 210n

seit 1975: UNILAC an der GSI in Darmstadtschwerste Elemente erzeugt in Dubna (JINR)

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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Inhalt

1 EinleitungMotivationGrundlagenGeschichte

2 Erzeugung & AnalyseMethoden der ErzeugungMessungErgebnisse

3 AusblickStand der DingeLand in Sicht?

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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Neutroneneinfang

Ausgangspunkt: schwerstes natürliches Element:Uran(Z = 92)Neutronenbeschuss zur Erzeugung schwererer Nuklide:23892U

NC−−→ 23992U

β−−−→ 239

93Np β−−−→ 239

94Pu

entstandene Kerne für Z > 100 instabilgeringe Überlebenswahrscheinlichkeit:Fission, α-Zerfall

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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Neutroneneinfang

Ausgangspunkt: schwerstes natürliches Element:Uran(Z = 92)Neutronenbeschuss zur Erzeugung schwererer Nuklide:23892U

NC−−→ 23992U

β−−−→ 239

93Np β−−−→ 239

94Pu

entstandene Kerne für Z > 100 instabilgeringe Überlebenswahrscheinlichkeit:Fission, α-Zerfall

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Ausblick

Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Kernfusion

genutzt zur Erzeugung von Elementen mit Z > 100Prinzip: Projektil P auf schweres Target T

P + T −→ CN∗ −→ F + E

Zwei Voraussetzungen:

1 Coulomb-Barriereüberwinden

2 CN muss Anregungsenergieabgeben→ Neutronenevaporation

Erklärung: Fermi-Kante

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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Kernfusion

genutzt zur Erzeugung von Elementen mit Z > 100Prinzip: Projektil P auf schweres Target T

P + T −→ CN∗ −→ F + E

Zwei Voraussetzungen:

1 Coulomb-Barriereüberwinden

2 CN muss Anregungsenergieabgeben→ Neutronenevaporation

Erklärung: Fermi-Kante

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Ausblick

Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Kalte Fusion

schwere Isotope als Target: 20882Pb, 20983Bi

mittelschwere Projektile: 4820Ca, 5826Fe, 6428Ni, 7832Ge

bevorzugt: (doppelt) magische Nuklide

geringere Anregungsenergie des CN (10-20 MeV)Evaporation: 1n oder 2n, trotzdem: zu wenige N

Quelle:Heusser: Production of Superheavy Elements

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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Kalte Fusion

schwere Isotope als Target: 20882Pb, 20983Bi

mittelschwere Projektile: 4820Ca, 5826Fe, 6428Ni, 7832Ge

bevorzugt: (doppelt) magische Nuklidegeringere Anregungsenergie des CN (10-20 MeV)Evaporation: 1n oder 2n, trotzdem: zu wenige N

Quelle:Heusser: Production of Superheavy Elements

Steffen Therre Superschwere Elemente 17

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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Heiße Fusion

schwere (Trans-)Actinide als Target: 24094Pu, 24997Bk, 24898Cm

leichtere Ionen als Projektile: 2612Mg, 3414Si, , 4820Ca

höhere Asymmetrie der Z, Coulomb-Barriere

Anregungsenergie des CN ist sehr hoch (bis zu 50 MeV)Evaporation von bis zu 5n

Quelle:Heusser: Production of Superheavy Elements

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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Heiße Fusion

schwere (Trans-)Actinide als Target: 24094Pu, 24997Bk, 24898Cm

leichtere Ionen als Projektile: 2612Mg, 3414Si, , 4820Ca

höhere Asymmetrie der Z, Coulomb-BarriereAnregungsenergie des CN ist sehr hoch (bis zu 50 MeV)Evaporation von bis zu 5n

Quelle:Heusser: Production of Superheavy Elements

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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Betrachtung in Nuklidkarte

Quelle:gsi.de

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Ausblick

Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Wie misst man SHE?

Analyse des Zerfalls

Quelle:Hamilton et al.: Search for Superheavy Nuclei

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Ausblick

Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Gesellschaft für Schwerionenforschung

Quelle:tu-darmstadt.de

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Ausblick

Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Gesellschaft für SchwerionenforschungUNILAC und SHIP

Universal Linear Accelerator (UNILAC)

hochionisierte Strahlung, große BandbreiteProtonen... , leichte Ionen... , Uran

Quelle:ria.ru

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Ausblick

Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Gesellschaft für SchwerionenforschungUNILAC und SHIP

Separator for Heavy Ion reaction Products (SHIP):

Quelle:Hamilton et al.: Search for Superheavy Nuclei

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Ausblick

Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Gesellschaft für SchwerionenforschungFunktion des SHIP

Target-Folien (300-450 µg/cm²)niedrige Schmelztemperaturrotiert mit 400-1100 rpm

Impulserhaltung:

vCN =mp

mp + mt· vp

Dazwischen: Strahlfokussierer, Ablenkmagneten

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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Gesellschaft für SchwerionenforschungFunktion des SHIP

Target-Folien (300-450 µg/cm²)niedrige Schmelztemperaturrotiert mit 400-1100 rpm

Impulserhaltung:

vCN =mp

mp + mt· vp

Dazwischen: Strahlfokussierer, Ablenkmagneten

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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Gesellschaft für SchwerionenforschungFunktion des SHIP

Target-Folien (300-450 µg/cm²)niedrige Schmelztemperaturrotiert mit 400-1100 rpm

Impulserhaltung:

vCN =mp

mp + mt· vp

Dazwischen: Strahlfokussierer, Ablenkmagneten

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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Gesellschaft für SchwerionenforschungDetektion der SHE

CN in Si-Detektor implantiertMessung der α-Zerfälle(Energie, Position, Zeit)koinzidente γ-Zerfälle im Ge-Detektor

∆E = 14 keV∆x = 150µmT 1

2≥ 15µs

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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Gesellschaft für SchwerionenforschungDetektion der SHE

CN in Si-Detektor implantiertMessung der α-Zerfälle(Energie, Position, Zeit)koinzidente γ-Zerfälle im Ge-Detektor

∆E = 14 keV∆x = 150µmT 1

2≥ 15µs

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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Histogramm: SHE im Silizium-Halbleiter-Detektor

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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Diskrete α-Zerfälleoft mehrere Zerfallskanälehäufig sehr kleine Statistik (Größenordnung 100)

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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Zerfallsstatistik

6428Ni + 208

82Pb → 271110Ds + 1n

Eproj E∗ Measuring time Ion dose events σ(MeV) (MeV) (days) 1018 (pb)305.3 3.94 0.4 0.09 0 < 38308.6 6.49 0.6 0.15 0 < 25

311.7 8.84 2.7 0.53 2 7.4+9.4−4.8

313.0 9.85 3.5 0.78 6 15+9−6

315.5 11.80 4.8 0.55 1 3.6+6.8−3.0

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Ausblick

Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Unbegrenzte Möglichkeiten?

Kann man alle SHE mit dieserMethode erzeugen?

Abnahme des WQ für kalteFusionHerausforderungen anExperimentBestrahlungsdauer/-intensität

Quelle:Hamilton et al.: Search for Superheavy Nuclei

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Ausblick

Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse

Unbegrenzte Möglichkeiten?

Kalte Fusion für Z > 112nicht mehr geeignet

WQ-Abnahme auch beiheißer FusionAber: stabilereEndprodukte für Z > 112

Hauptsächlich in Dubna(JINR) durchgeführt

Quelle:Hamilton et al.: Search for Superheavy Nuclei

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AusblickStand der DingeLand in Sicht?

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1 EinleitungMotivationGrundlagenGeschichte

2 Erzeugung & AnalyseMethoden der ErzeugungMessungErgebnisse

3 AusblickStand der DingeLand in Sicht?

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AusblickStand der DingeLand in Sicht?

Erzeugte Transactinoide

Z Name Lebensdauer erste Erzeugung104 Rutherfordium 1.3 h (267Rf) 1964 Dubna105 Dubnium 16 h (268Db) 1967 Dubna106 Seaborgium 2.4 min (271Sg) 1974 Dubna/Berkeley107 Bohrium 17 s (267Bh) 1981 Darmstadt108 Hassium 2.4 min (278Hs) 1984 Darmstadt109 Meitnerium 20 s (274Mt) 1982 Darmstadt110 Darmstadtium 1.1 min (282Ds) 1994 Rätsel!111 Roentgenium 3.6 s (280Rg) 1994 Darmstadt112 Copernicium 34 s (285Cn) 1996 Darmstadt113 Ununtrium 480 ms (284Uut) 2012 Dubna/Wako114 Flerovium 2.7 s (289Fl) 1999 Dubna115 Ununpentium 10 s (289Uup) 2004 Dubna116 Livermorium 53 ms (293Lv) 2000 Dubna117 Ununseptium ≈ 50 ms (292Uus) 2010 Dubna118 Ununoctium 1.8 ms (294Uuo) 2006 Dubna

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Erzeugte Transactinoide

Z Name Lebensdauer erste Erzeugung104 Rutherfordium 1.3 h (267Rf) 1964 Dubna105 Dubnium 16 h (268Db) 1967 Dubna106 Seaborgium 2.4 min (271Sg) 1974 Dubna/Berkeley107 Bohrium 17 s (267Bh) 1981 Darmstadt108 Hassium 2.4 min (278Hs) 1984 Darmstadt109 Meitnerium 20 s (274Mt) 1982 Darmstadt110 Darmstadtium 1.1 min (282Ds) 1994 Darmstadt111 Roentgenium 3.6 s (280Rg) 1994 Darmstadt112 Copernicium 34 s (285Cn) 1996 Darmstadt113 Ununtrium 480 ms (284Uut) 2012 Dubna/Wako114 Flerovium 2.7 s (289Fl) 1999 Dubna115 Ununpentium 10 s (289Uup) 2004 Dubna116 Livermorium 53 ms (293Lv) 2000 Dubna117 Ununseptium ≈ 50 ms (292Uus) 2010 Dubna118 Ununoctium 1.8 ms (294Uuo) 2006 Dubna

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AusblickStand der DingeLand in Sicht?

Nochmal die Nuklidkarte

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AusblickStand der DingeLand in Sicht?

Wann geht es weiter?

schwierigere/ teurere Target-ErzeugungExperimente zur Erzeugung von 302

120Ubn∗

kleine Wirkungsquerschnitte (≈ 40 fb)Detektor-/Experimentsensibilität verbesserungswürdigNeutronenmangel zur IoS

Steffen Therre Superschwere Elemente 34

EinleitungErzeugung & Analyse

AusblickStand der DingeLand in Sicht?

Land in Sicht?

noch kein quasi-stabiles Isotop erzeugtLebensdauern werden größer: Trend ist klar erkennbarKernschalenmodell bestätigt

Die Insel der Stabilität istnunmehr gut in Sicht, manweiß nur noch nicht welcheRoute zum Ziel führt.

Walter Greiner

Steffen Therre Superschwere Elemente 35

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AusblickStand der DingeLand in Sicht?

Land in Sicht?

noch kein quasi-stabiles Isotop erzeugtLebensdauern werden größer: Trend ist klar erkennbarKernschalenmodell bestätigt

Die Insel der Stabilität istnunmehr gut in Sicht, manweiß nur noch nicht welcheRoute zum Ziel führt.

Walter Greiner

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Land in Sicht?

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AusblickStand der DingeLand in Sicht?

Ende

Vielen Dank für die AufmerksamkeitFragen?

Steffen Therre Superschwere Elemente 37

EinleitungErzeugung & Analyse

AusblickStand der DingeLand in Sicht?

Literatur

W. Greiner Heavy Into Stability (2010)J.H. Hamilton et al. Search for Superheavy Nuclei (2013)

G. Münzenberg, M. Gupta Discoveries with cold heavy-ion fusion (2011)S. Hofmann Synthesis of superheavy elements by cold fusion (2009)V.I. Zagrebaev et al. Production of heavy and superheavy neutron-rich

nuclei (2011)G. Münzenberg et al. The identification of Element 108 (1984)U. Mosel, W. Greiner On the Stability of Superheavy Nuclei against

Fission (1969)

Steffen Therre Superschwere Elemente 38