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Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Ein Hauch von.

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Präsentation zum Thema: "Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Ein Hauch von."—  Präsentation transkript:

1 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS 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

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

3 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Die Ordnung der chemischen Elemente

4 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Struktur der Materie

5 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Die Nuklidkarte – Ordnung der Atomkerne

6 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Eigenschaften und Struktur von Atomkernen Beispiele: "Größe" Form Masse ("Gewicht") Zerfall

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

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

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

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

11 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS 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

12 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS 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

13 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Massenmessung exotischer Kerne mit FRS-ESR

14 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Einblick in die Kernstruktur

15 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: 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

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

17 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Erzeugung exotischer Kerne am FRS Produktionsraten ~ 10 5 /sek /sek (1/Tag)

18 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Experimente mit exotischen Strahlen am Fragmentseparator FRS

19 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Erfolgreiche Experimente

20 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS 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

21 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS 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

22 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS FRS und Super-FRS im Vergleich FRS Super-FRS 150m

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

24 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS 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 (1400 o C) zuverlässiger Betrieb seit 1990 sichere Handhabung Gemeinsame Entwicklung von Targetlabor, FRS, FZK, PSI,....

25 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Planungen für Target und Targetbereich

26 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Sicherheit für den Menschen: Strahlenschutz Cross section of the target area Cross section of PF4

27 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

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

29 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: 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)

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

31 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS NUSTAR Experimente Low Energy BranchC. Scheidenberger (GSI) HISPEC: High-resolution In-Flight SpectroscopyZ. Podolyak (Univ. Surrey) DESPEC: Decay Spectroscopy with Implanted Ion BeamsB. Rubio (CSIC Valencia) MATS: Precision Measurements of very short-lived Nuclei using an Advanced Trapping System for highly-charged IonsK. Blaum (Univ. Mainz) LASPEC: Laser Spectroscopy for the Study of Nuclear PropertiesC. Campbell (Univ. Manchester) NCAP: Neutron Capture MeasurementsM. Heil (FZ-Karlsruhe) exo+pbar:Antiprotonic Radioactive NuclidesM. Wada (RIKEN) High Energy Branch R3B:A Universal Setup for Kinematical Complete Measurements of Reactions with Relativistic Radioactive BeamsT. Aumann (GSI) Ring Branch ILIMA:Study of Isomeric Beams, Lifetimes and MassesY. Novikov (NPI St. Petersburg) EXL:Exotic Nuclei Studied in Light-Ion Induced Reactions at the NESR Storage RingM. 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 NucleiR. Krücken (TU München) Pionic: Spectroscopy of Pionic Atoms with Unstable NucleiK. Itahashi (RIKEN) 753 Benutzer

32 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Experimente am Niederenergiezweig (I)

33 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Experimente am Niederenergiezweig (II) Vollständige Zerfallsspektroskopie: * -Zerfälle * Konversions-Elektronen * -verzögerte Neutronen * Höchste Selektivität und Empfindlich- durch Separation im Flug und ein- deutige Identifikation von A und Z * Spektroskopie an einzelnen Ionen T 1/2 ( 100 Sn) = (0,94 +0,54 ) s -0,27

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

35 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Experimente mit gespeicherten Strahlen Inverse Kinematik: Form-Faktoren aus kleinen Winkeln im SP-System Niederenergetische Rückstoßionen mit kleinem Impuls 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

36 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Experimente mit gespeicherten Strahlen 207 Pb m Tl Tl 81+ Gebundener beta-Zerfall: * Neue Zerfallsart * Isotopenreine Separation von nacktem 207 Tl 81+ * Stochastische und Elektronenkühlung

37 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS 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

38 Christoph Scheidenberger (GSI) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS 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 /puls U 28+ at 200 AMeV 4 x /puls U 73+ 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:

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


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