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Moderne Experimenteder Kernphysik

Wintersemester 2011/12

Vorlesung 01 – 19.10.2011

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Dozent: Professor Dr. Thorsten Kröll

Institut für KernphysikSchlossgartenstrasse 9S2 14 / 306Tel.: 06151-16-2925email: tkroell@ikp.tu-darmstadt.de

Sprechstunde: nach Vereinbarung … email, Anruf, nach der Vorlesung

Vorlesung

Montag 11:40 - 13:20 Uhr, S3 06 / 052Mittwoch 13:30 - 14:15 Uhr, S1 15 / 138

Dr. Marcus Scheck

Institut für KernphysikSchlossgartenstrasse 9

S2 14 / 5. StockTel.: 06151-16-2469email: mscheck@ikp.tu-darmstadt.de

Vertretung

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Dozent: Professor Dr. Thorsten Kröll

Institut für KernphysikSchlossgartenstrasse 9S2 14 / 306Tel.: 06151-16-2925email: tkroell@ikp.tu-darmstadt.de

Sprechstunde: nach Vereinbarung … email, Anruf, nach der Vorlesung

Vorlesung

Montag 11:40 - 13:20 Uhr, S3 06 / 052Mittwoch 13:30 - 14:15 Uhr, S1 15 / 138

Dr. Marcus Scheck

Institut für KernphysikSchlossgartenstrasse 9

S2 14 / 5. StockTel.: 06151-16-2469email: mscheck@ikp.tu-darmstadt.de

Vertretung

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• Termine & wichtige Hinweise • Unterlagen• Vorlesungspräsentationen• Web-Links…

Webseite zur Vorlesung

sowie:

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

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Übungen

Mittwoch 14:25 - 15:10 Uhr, S1 15 / 138

Betreuer:Dr. Stoyanka IlievaDr. Alexander IgnatovDr. Marcus Scheck

Wir werden zwischen 4V+0Ü, 3V+1Ü und 2V+2Ü wechseln, je nachProgramm 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

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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(,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-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, -Zerfall

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Themen WS 2011/12 (4)

• N=Z-Kerne

- Isospin

- Methode: -Zerfall

• Superschwere Elemente

- Strutinski-Schalenkorrektur-Methode

- Produktion superschwerer Elemente

- Chemie von SHE

• Hyperkerne

• Zusammenfassung und Ausblick

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Spektrum der Kernphysik

Quarks &Leptonen

<10 –21 m

Atome inFallen

10 –10 m

NMR vonProteinen

10 –8 m

Nuklear-medizin

1 m

AMS fürKlima-

forschung

10 7 m

Sonne

10 9 m

Supernovae

10 16 m

Urknall

0 10 26 m

Galaxien

10 20 m

Hadronen10 –15 m

Kerne

10 –14 m

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Effektive freieNukleon-NukleonWechselwirkung

(ab-initio Modelle)

Leichte Kerne

(A12)

?

Die Natur der effektiven

NN-Wechselwirkung ist nicht verstanden !!

?

Schwere Kerne

Effektivein-medium

Nukleon-NukleonWechselwirkung

Hierarchie der starken Wechselwirkung

Quarks&

Gluonen

QCD

Protonen&

Neutronen

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Nukleare Nukleare WeltkarteWeltkarteMeilenstein der KernstrukturSchalenmodell magische Zahlen

... auch für exotische Kerne???

r-Prozess Kerne

Neutronenabbruchkante“neutron dripline”?

Protonenabbruchkante“proton dripline”?

• Grenzen der Existenz weitestgehend unbekannt• Änderung der Kernstruktur???• Elementsynthese in Sternen

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Evolution des Kernpotentials - Isospinabhängigkeit

rV

Tal derStabilität

rV

neutronenreicheKerne

centralLS Vdr

dV Spin-Bahn Kopplung

•Wie verändert sich das zentrale Potential durch den Neutronenüberschuss?

•Wie hängt die Spin-Bahn Kopplung vom Isospin ab?

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Woher kommen die chem. Elemente im Universum?

„normale“Schalenstruktur

VeränderteSchalenstruktur

Pfeiffer et al.Z. Phys. A357 (97) 235

... aber NICHT die einzige Erklärungsmöglichkeit!!!

Elementsynthese in Supernovae:r-Prozess und Schalenstruktur

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„Asymptotische Freiheit“ der Modelle

… Modellen mangelt es an Vorhersagekraft!!!

Warum nicht einfach extrapolieren???

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Radien exotischer Kerne

Lehrbuchwissen: Kernradius = (1.2 – 1.5 fm) * A1/3

0 5 10 15 20 250

2

4

6

8

10

12

14

N

Z

I. Tanihata et al.

A=11

A=19

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Halo-Kerne und Neutronenhäute

Z=50

Z=30

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Veränderung der Schalenstruktur 1

Sauerstoff (Z=8)

nichtgebunden

gebundenN=16

N=14

Neue magische ZahlN=16

24O

N=20

Neue pn-Restwechselwirkungermöglicht Existenz von 31F:

1 Proton mehr bindet weitere 6 Neutronen!!!

8 20

N=8

N=20

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Veränderung der Schalenstruktur 2

T. Motobayashi et al.Ar S Si Mg Ne

38 36 34 32 30

100

50

0

150

N=20

B(E

2; 2

+

0+)

[e2 f

m4 ] ohne N=20 Schale

mit N=20 Schale

deformiert

Magische Zahl N=20ist für neutronenreiche Kerne

verschwunden

Lehrbuchwissen: Kerne mit magischenNukleonenzahlen sind sphärisch

De

form

atio

n

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Wie produziert und misst man radioaktive Kerne???

Messmethoden:- und Teilchenspektroskopie nach• Coulombanregung• Ein- und Mehrnukleontransferreaktionen• Knockout-Reaktionen• Fragmentation• Zerfallsspektroskopie

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• ...

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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)

sowieSPES (LNL, Italien), EXCYTE (LNS, Italien), ...

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Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)

UNILAC

SIS

FRS

ESR

100 m

in Darmstadt

heute

SIS 100/200

HESR

SuperFRS

NESR

CR

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FAIR in Darmstadt

Production radioactiver Strahlen

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Methoden – Ueberblick:

- Super Novae Typ II- Fragmentation im Flug (MSU, GSI -> FAIR)- Isotope online separation (ISOL)-Technik

(ISOLDE, TRIUMPH) - Spaltquelle z.B. 252Cf (CARIBU @ Argonne

National Lab) - Fusions-Verdampfungsreaktionen (z.B. JYFL)

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Produktion von radioaktiven Strahlen 1 – Fragmentation

Projektilfragmentation bei relativistischen Energien

Beide Fragmente sind hochangeregt und dampfen

Neutronen abAbb. von T. Glasmacher (NSCL/MSU)

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100Sn-Experiment @ FRS (GSI)

Lad

un

g Z

Masse A

Teilchenidentifizierung

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Produktion von radioaktiven Strahlen 2 – ISOL Methode

p, d

Produktions-target

Ionen-quelle

MassenSeparator

Nachbeschleuniger (5-10 MeV/A)

Produktions-target

Nachbeschleuniger (5-10 MeV/A)

Driver Beschleuniger

n

Experiment

Experiment

Ionen-quelle

MassenSeparator

Reaktor

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REX-ISOLDE @ CERN

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REX-ISOLDE @ CERN

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REX-ISOLDE @ CERN 2

Courtesy: http://isolde.web.cern.ch/ISOLDE/

“Ladungsbrüten” A/q ~ 4

REX-Trap

EBIScharge-breeder

IHSRFQ 3x 7Gap9 Gap

Miniball

RIB

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REX-ISOLDE @ CERN 3

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Detektoren und Messmethoden

1.05 GeV

K