Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

Präsentation zum Thema: "Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS"—  Präsentation transkript:

1 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS
Einführung Wissenschaftliche Zielsetzungen der NUSTAR Kollaboration: NUclear STructure Nuclear Astrophysics Reactions Der Super-FRS Geplante Experimente am Super-FRS tyjertotro Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

2 Der hierarchische Aufbau der Materie
Quarks < m 0, m Atomkern 10-14 m Nukleon 10-15 m 0, m Atom 10-10 m 0, m Kristall 10-9 m 0, m DNA 10-8 m Materie 10-1 m 1 m Sterne, Planeten 108 m m Galaxie 1021 m m Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

3 Die Ordnung der chemischen Elemente
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4 Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS
Struktur der Materie Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

5 Die Nuklidkarte – Ordnung der Atomkerne
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6 Eigenschaften und Struktur von Atomkernen
Beispiele: "Größe" Form Masse ("Gewicht") Zerfall Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

7 Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS
Größe von Atomkernen Entdeckung von "Riesenkernen" (Halo-Kerne) Beispiel: 11Li = 9Li + 2n Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

8 Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS
Form von Atomkernen sphärisch prolat oblat (kugelförmig) (zigarrenförmig) (diskusförmig) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

9 Der radioaktive Zerfall von Atomkernen
a-, b- und g-Strahlung Neue Zerfallsarten, z. B. 2-Protonen-Radioaktivität: Entdeckung im Jahr 2002 am 45Fe mit dem FRS (M. Pfützner et al., Eur. Phys. J. A14, 279, 2002) a b g Quelle a-Strahlen b-Strahlen Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

10 Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS
Masse von Atomkernen Z Protonen (Ordnungszahl) N Neutronen (Neutronenzahl) A = N + Z (Massenzahl) 6 Protonen + 6 Neutronen Masse M = 6*mp + 6*mn 12C Kohlenstoff-Atomkern Masse M = 6*mp + 6*mn – B B = Bindungsenergie Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

11 Pionierarbeiten der Massenspektrometrie: Entdeckung der Isotope
Untersuchung von Kathodenstrahlen durch Sir J. J. Thompson: Entdeckung der Isotope (1913): "Elemente besitzen unterschiedlich schwere Atomkerne" Verwendung von Parabel-Spektrographen Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

12 Erste Strukturuntersuchungen an Atomen und Kernen
Hochauflösende Massenspektrographen von Sir F. W. Aston: Entdeckung von 212 der 287 natürlich vorkommenden Isotope ( ): Entdeckung von Abweichungen der Atomgewichte von ganzen Zahlen Erstes Kernmodell durch H.A.Bethe und C.F.v.Weizsäcker Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

13 Massenmessung exotischer Kerne mit FRS-ESR
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14 Einblick in die Kernstruktur
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15 Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS
Nukleare Astrophysik Neutroneneinfang Fe Massenzahl A Häufigkeit Rote Riesen: Neutroneneinfang während He-Brennen  Fe...Bi Novae, Röntgen-Burster: explosives H-Brennen, rp-Prozess Supernovae: r- und p-Prozess,  Fe...Actiniden Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

16 Wege der Elementsynthese in Sternen
Pfad der Elementsynthese in Sternexplosionen (Supernova) r-Prozess rp-Prozess Terra Incognita Terra Incognita Terra Incognita Anzahl der Protonen Fe Anzahl der Neutronen Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

17 Erzeugung exotischer Kerne am FRS
Produktionsraten ~ 105/sek /sek (1/Tag) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

18 Experimente mit exotischen Strahlen am Fragmentseparator FRS
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19 Erfolgreiche Experimente
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20 Bestehende Anlage für Fragmentstrahlen
Geringe Intensitäten (z.B U /s) Geringe Transmission für Spaltfragmente (4-10%) Geringe Transmission zum ESR und zu ALADIN/LAND Wenig Platz für komplexe Experimentaufbauten Magnete der Strahlführung nicht für Sekundärstrahlen optimiert Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

21 Was wird besser? Was ist neu?
1) 100 bis 1000 mal höhere Primärstrahlintensität 2) Bis zu 10-fach höhere Transmission 3) Direkte Kopplung an dedizierte Experimentieranlagen Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

22 FRS und Super-FRS im Vergleich
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23 Technische Herausforderung Nr. 1: das Produktionstarget
Ionen deponieren Energie im Produktionstarget "schlimmster Fall": 1012 Uranionen bei 1GeV/u verlieren etwa 1kWh pro Puls im Target Unterscheide langsame und schnelle Extraktion: langsame Extraktion ( ~ 1 Sekunde) 4.000 Watt = 40 x 100 Watt schnelle Extraktion (~ 0, Sekunde) Watt = 400 Millionen x 100 Watt = 16 x 2,5 GigaWatt Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

24 Lösung: rotierendes Graphit-Target
Beispiel: Target des Paul-Scherrer Instituts (Villingen, Schweiz) Material: Graphit Dicke: ~ 5 cm Durchmesser ~ 30 cm Rotation 60 U/min Strahlungsgekühlt (1400o C)  zuverlässiger Betrieb seit 1990  sichere Handhabung Gemeinsame Entwicklung von Targetlabor, FRS, FZK, PSI,.... Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

25 Planungen für Target und Targetbereich
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26 Sicherheit für den Menschen: Strahlenschutz
Cross section of the target area Cross section of PF4 Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

27 Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS
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28 Technische Herausforderung Nr. 2: die Magnete
Herausforderung: strahlenresistente supra-leitende Magnete Gemeinsame Entwicklung von Magnetgruppe, FRS, Uni-Gießen, MSU, ANL Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

29 Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS
GSI Darmstadt, D Darmstadt, Germany Justus-Liebig Universität Gießen, D Gießen, Germany Institute of Analytical Instrumentation, RAS, St. Petersburg, Russia Michigan State University, East Lansing, MI 48824, USA Argonne National Laboratory, Argonne, IL 60439, USA St. Petersburg State Technical University, St. Petersburg, Russia Johannes Gutenberg Universität, D Mainz, Germany Technische Universität Dresden, D-01062, Germany Philipps Universität Marburg, D-35032, Germany Fachhochschule Mainz, D Mainz, Germany Babcock Noell Nuclear, D Würzburg, Germany Technische Universität Darmstadt, D Darmstadt, Germany Forschungszentrum Karlsruhe, D Eggenstein-Leopoldshafen, Germany Riken, 2-1 Hirosawa, Wako, Saitama , Japan CAE, Saclay, F Gif-sur Yvette, France University of Surrey, Guildford, GU2 5XH, UK Univeridade de Santiago de Compostela, E Santiago de Compostela, Spain Technische Universität München, D Garching, Germany Comenius University Bratislava, Sk Bratislava, Slovakia Sprecher: Hans Geissel (GSI und Univ. Gießen) Martin Winkler (GSI und Univ. Gießen) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

30 Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS
Die drei Zweige Niederenergie-Zweig Hochenergie-Zweig Speicherring-Zweig Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

31 Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS
NUSTAR Experimente Low Energy Branch C. Scheidenberger (GSI) HISPEC: High-resolution In-Flight Spectroscopy Z. Podolyak (Univ. Surrey) DESPEC: Decay Spectroscopy with Implanted Ion Beams B. Rubio (CSIC Valencia) MATS: Precision Measurements of very short-lived Nuclei using an Advanced Trapping System for highly-charged Ions K. Blaum (Univ. Mainz) LASPEC: Laser Spectroscopy for the Study of Nuclear Properties C. Campbell (Univ. Manchester) NCAP: Neutron Capture Measurements M. Heil (FZ-Karlsruhe) exo+pbar: Antiprotonic Radioactive Nuclides M. Wada (RIKEN) High Energy Branch R3B: A Universal Setup for Kinematical Complete Measurements of Reactions with Relativistic Radioactive Beams T. Aumann (GSI) Ring Branch ILIMA: Study of Isomeric Beams, Lifetimes and Masses Y. Novikov (NPI St. Petersburg) EXL: Exotic Nuclei Studied in Light-Ion Induced Reactions at the NESR Storage Ring M. Chartier (Univ. Liverpool) ELISE: Electron-Ion Scattering in a Storage Ring (e-A Collider) H. Simon (GSI) pbarA: Antiproton-Ion Collider: Measurement of Neutron and Proton rms radii of Stable and Radioactive Nuclei R. Krücken (TU München) Pionic: Spectroscopy of Pionic Atoms with Unstable Nuclei K. Itahashi (RIKEN) 753 Benutzer Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

32 Experimente am Niederenergiezweig (I)
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33 Experimente am Niederenergiezweig (II)
„Vollständige“ Zerfallsspektroskopie: * a, b, g -Zerfälle * Konversions-Elektronen * b-verzögerte Neutronen * Höchste Selektivität und Empfindlich- durch Separation im Flug und ein- deutige Identifikation von A und Z * Spektroskopie an einzelnen Ionen T1/2 (100Sn) = (0,94 +0,54) s -0,27 Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

34 Experimente am Hochenergiezweig
Aufbruch von 20O in verschie dene Reaktionskanäle Large-area neutron detector LAND Cocktail Strahl vom FRS Gegenwärtiges Programm: Halo-Kerne Ungebundene Systeme (5H,10Li,...) Spektroskopische Faktoren Riesenresonanzen in exotischen Kernen Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

35 Experimente mit gespeicherten Strahlen
Targets: - H, D, He Reaktionen: - Elastische Streuung - Inelastische Streuung - Ladungsaustausch - Transfer - Quasifreie Streuung Observable: - Materieradien, Deformationen - Spin-Isospin Anregungen - Riesen (Monopol) Resonanzen - GT Stärken - Einteilchen Zustände Inverse Kinematik: Form-Faktoren aus kleinen Winkeln im SP-System Niederenergetische Rückstoßionen mit kleinem Impuls Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

36 Experimente mit gespeicherten Strahlen
Gebundener beta-Zerfall: * Neue Zerfallsart * Isotopenreine Separation von nacktem 207Tl81+ * Stochastische und Elektronenkühlung 207Tl81+ 207Pb81+ 207mTl81+ Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

37 Die NUSTAR Kollaboration
753 Mitglieder aus 32 Ländern Argentina, Australia, Austria, Belgium, Brasilia, Canada, China, Denmark, Finland, France, Germany, Greece, Hungary, India, Israel, Italy, Japan, Norway, Poland, Portugal, Romania, Russia, Slovakia, Spain, Sweden, Switzerland, The Netherlands, Turkey, USA, Ukraine, United Kingdom, Vietnam 12 Experimentvorschläge Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

38 Stufenweiser Aufbau von FAIR
Gebäude Ringtunnel für Doppelring-Synchrotron einschl. technischer Gebäude Gebäude für Super-FRS, Collector Ring und NESR sowie für Experimente von Kernstruktur- und Atomphysik Bürogebäude Beschleuniger 2 x 1011/puls U28+ at 200 AMeV 4 x 1010/puls U73+ at 1000 AMeV 4 Hz bis 12 Tm; 1 Hz bis 18 Tm Bunch Kompressionauf ~70 ns Forschung Kernstruktur und nukleare Astrophysik (Gewinnfaktor in Intensität für Sekundärstrahlen ~100) Plasmaphysik an der bestehenden Anlage (Gewinnfaktor ~200) Atomphysik mit hochgeladenen und radioaktiven Strahlen Stufe 1: Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

39 .....ein Hauch von Exotik am Super-FRS
Wixhausen im Jahr 2010 ...hallo HKR ? ...wir brauchen mehr Strahl ! Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS