Moderne Experimente der Kernphysik

Präsentation zum Thema: "Moderne Experimente der Kernphysik"—  Präsentation transkript:

1 Moderne Experimente der Kernphysik
Wintersemester 2011/12 Vorlesung 17 – Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

2 Kernoszillationen Oberflächenvibrationen Riesenresonanzen 18.01.2012
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3 Kernoszillationen Bisher haben wir folgendes System betrachtet:
Deformierter Kern mit mehreren Valenzprotonen und –neutronen, der eine kollektive Rotationsbewegung ausführt Ein weitere mögliche Anregungsform sind kollektive Oszillationen von Kernen Bei Betrachtung des Kerns als Flüssigkeitstropfen ist klar, dass Kerne Oberflächenschwingungen durchführen können Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

4 Der 5-dimensionale harmonische Oszillator 1
Wir beschränken uns hier zunächst auf reine Quadrupolschwingungen!! Eine Oberflächenschwingung zeigt sich in einer zeitabhängigen Oszillation der Formparameter um die Gleichgewichtsparameter a2m = 0 (sphärischer Kern): Potentielle Energie Hamiltonian für die Oberflächenoszillation: Hier verwenden wir die Koeffizienten a2m als Koordinaten der Bewegung. Wie Feder: Kinetische Energie: Der Parameter C spielt die Rolle der Federkonstante! Der Parameter B spielt die Rolle der Masse! Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

5 Der 5-dimensionale harmonische Oszillator 2
Bewegungsgleichung: In jeder Richtung m Das Problem hat fünf Dimensionen: a2-2, a2-1, a20, a21, a22 Übergang ins Phononenbild: Hamiltonian: nb ist die Anzahl von Phononen |nb ist die Wellenfunktion des nb Phononen Zustandes Der Operator b+b zählt die Anzahl der Phononen Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

6 Quadrupol-Phononen 2+ |1 b+ Betrachte l=2 : Quadrupol Oszillationen
|0 |1 0+ 2+ Betrachte l=2 : Quadrupol Oszillationen b+ ist der Erzeuger eines Quadrupolphonons mit Drehimpuls 2 Energie Frage: Welche Drehimpulse sind möglich? gg-Kern: |0  (Grundzustand) |1  einzige Möglichkeit |2  ?????  M-Schema für Bosonen: Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

7 M-Schema für 2 Phononen Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

8 Multipletts des harmonischen Quadrupol-Oszillators
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9 Elektromagnetische Übergänge
Der Erzeugungs- und Vernichtungsoperator der Quadrupolphononen ist der elektrische Quadrupoloperator. (Schwingung der Ladungsdichte!) Es wird also Quadrupol-Übergänge (E2) zwischen den Phononenzuständen geben. Auswahlregel: DNph = ±1 Übergänge bei denen mehr als ein Phonon vernichtet oder erzeugt werden, sind in erster Ordnung verboten! Mögliche Schlussfolgerung: Übergang vom 2-Phononen Zustand zum 1-Phononen Zustand hat selbe Übergangswahrscheinlichkeit wie der Übergang vom 1-Phononen Zustand zum Grundzustand (FALSCH!!!) Es gilt: N-Phononzustand enthält N identische Phononen, von denen jedes zerfallen kann, die gesamte Übergangsstärke ist also N-mal zu groß wie bei nur einem Phonon! Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

10 Übergangswahrscheinlichkeiten 1
E2 Übergang wird durch Vernichtung des Phonons induziert. Reduzierte Übergangsstärke proportional zum Quadrat des Matrixelements B(E2) Übergangsstärke ist proportional zur Phononenzahl Bei mehr als einem möglichen Zerfallsweg gilt dies für die Summe Typische Stärke der Quadrupolübergänge: Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

11 Verzweigungsverhältnisse (3ph nach 2ph)
6+ und 0+ 3-Phonon Zustände können nur durch eine spezifische Kopplung der drei Phononendrehimpulse erzeugt werden. 2+ und 3+ 3-Phonon Zustände können durch mehrere verschiedene Kopplungen der drei Phononendrehimpulse erzeugt werden. Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

12 Reale Kerne: 118Cd DN=2 Übergänge sind stark unterdrückt, obwohl sie eigentlich energetisch stark bevorzugt wären nach (Eg)5 |1 |0 |2 |3 Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

13 Anharmonizitäten Phonon-Phonon Wechselwirkung
Bisher sind wir vom harmonischen Oszillator mit entarteten Energien ausgegangen Es gibt aber auch die Möglichkeit, dass Phononen miteinander wechselwirken. Phonon-Phonon Wechselwirkung Formal führt man Terme höherer Ordnung der Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren ein: Damit können auch anharmonische Anregungsschemata beschrieben werden Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

14 Mikroskopische Erklärung der Vibration
Kohärente Teilchen-Loch Anregung von Valenznukleonen (Fermionen!) zwischen Orbitalen mit DL=2 und DS=0 DS=0, da Quadrupoloperator Y2m nicht auf S wirkt, also muss Spinwellenfunktion in beiden Zuständen gleich sein d5/2 s1/2 d3/2 h11/2 g7/2 50 82 n Cd Isotope Z=48, N66 p 28 50 p3/2 p1/2 g9/2 d5/2 f5/2 g7/2 40 l+1/2 DL=2 l-1/2 DL=2 Verschiedene Parität, DL=1, DS=1 Theoretische Grundlage: Tamm Dankoff Approximation (TDA) / Random Phase Approximation (RPA) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

15 Multi-Phonon Zustände und das Pauli Prinzip
Annahme: Der 1-Phononen Zustand wird durch zwei Teilchen-Loch Anregungen erzeugt Der 2-Phononen Zustand wird durch duplizieren der ersten Anregung erzeugt Ein 3-Phononen Zustand kann nicht mehr durch die selbe Anregung erzeugt werden, da der d3/2 Zustand nur mit maximal 4 Teilchen (Pauli-Prinzip!) besetzt werden kann. d5/2 s1/2 d3/2 h11/2 g7/2 50 82 In diesem Beispiel kann ein 3-Phononen Zustand dann nur durch eine andere Anregung erzeugt werden. l-1/2 DL=2 Dieser 3-Phononen Zustand wird dann auch bei einer anderen Energie liegen  Anharmonizitäten Die Existenz von Multi-Phonon Zuständen in Kernen ist also fundamental an die beteiligten Einteilchenorbitale und das Pauli-Prinzip gebunden. Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

16 Oktupolschwingung Y30, p=(-1)3=-1 B(E3)= 34 W.u.
Es gibt mehrere Orbitale unterhalb der Fermienergie bei Z=82, N=126 mit (DL=3, DS=0) Partnern oberhalb der Fermienergie Y30, p=(-1)3=-1 B(E3)= 34 W.u. Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

17 Systematik der Oktupolschwingungen
leichte Kerne: Abstand von Fermikante zu Orbitalen mit DL=3 i.A. gross, also grosse Anregungsenergie schwere Kerne: Hochspinorbitale auch in der Nähe der Fermikante, also Oktupolvibrationen bei relativ niedrigen Energien möglich Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

18 Kopplung von Phononen Quadrupol + Oktupol Phononen Oktupol Quadrupol
Bisher haben wir nur Mehrphononenzustände betrachtet, die von einer Art von Phononen gebildet werden. Man kann aber auch Phononen verschiedenen Ursprungs koppeln. 0+ 2+ 3- 1-, 2-, 3-, 4-, 5- E2 E3 ( + E1) Quadrupol + Oktupol Phononen 0+ 2+ 4+ Quadrupol Phononen E2 0+ 3- 0+, 2+, 4+, 6+ E3 ( + E1) E3 Oktupol Phononen Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

19 Quadrupol-Oszillationen in deformierten Kernen
Y20 : K=0 Anregung / b-Vibration Y20 0+ Y22 2+ Y22 : K=2 Anregung / g-Vibration 0+ 2+ 4+ 6+ g.s. Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

20 Erweitertes Anregungsschema deformierter Kerne
Die oszillierende Konfiguration kann natürlich zusätzlich rotieren. Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

21 Erweitertes Anregungsschema deformierter Kerne: 232Th
Könnte auch 2-Phonon-g-Bande (Kp = 4+) sein ...???? 2-Phonon- Oktupol-Bande Kp = (0+) ???? g-Bande 1-Phonon-Oktupol-Banden Kp = 0- , 1-, 2-, (3- ??) b-Bande 1-Phonon- Quadrupol-Banden Kp = 0+ , 2+ Th. Kröll, Dissertation (Frankfurt) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

22 Riesenresonanzen Bisher: Quadrupol-Riesenresonanz
Oszillationen verursacht durch Teilchen-Loch Anregungen der Valenznukleonen zwischen Zuständen der selben Oszillatorschale. Es gibt aber auch Oszillationen, bei denen alle Nukleonen kohärent an der Oszillation beteiligt sind. Diese Oszillationen nennt man Riesenresonanzen. Quadrupol-Riesenresonanz Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

23 Spektrum Experimentelle Beobachtung: breite Resonanzstruktur z.B. in (g,n)-Reaktionen Riesenresonanz (ungebunden) Diskrete gebundene Zustände Anregungsenergie Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

24 Mikroskopischer Hintergrund
Riesenresonanz Viele Nukleonen beteiligt Anregungen über Schalen hinweg breite Resonanz (Summe vieler Beiträge) Oberflächen- vibrationen: Wenige Nukleonen beteiligt Anregungen meist innerhalb einer Schale Diskrete Zustände Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

25 Verschiedene Arten von Riesenresonanzen
p E1 DT=1 DS=0 p,n E0 (DT=0) p n E0 (DT=1) p,n E2 (DT=0) p n E2 (DT=1) DT=0 DS=1 M1 Elektrische und magnetische Dipolschwingung Elektrische Monopol- und Quadrupolschwingung Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

26 Elektrische Riesenresonanzen
Electric giant resonances Isoskalar Isovektoriell Monopole (GMR) Isoskalar: Protonen und Neutronen schwingen in Phase Isovektoriell: schwingen in Gegenphase Dipole (GDR) Quadrupole (GQR) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

27 Anregung von Riesenresonanzen – Photonenstreuung
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28 S-DALINAC an der TU Darmstadt
1 2 i 1 2 Photon Experiments 10 MeV Injector: Photon Scattering / Photofission < 30 MeV Tagger: Photodesintegration / Photon Scattering Source 130 MeV Electron LINAC Electron Source Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

29 Bild des S-DALINAC Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

30 Detektoraufbau bei der NRF
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31 NRF Aufbau in Darmstadt
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32 “Tagged” Photonen Dünnes Target: nur ein Bremsstrahlungsphoton pro Elektron wird erzeugt Koinzidente Messung von gestreutem Elektron und Photon Energie des gestreuten Elektrons E’ legt Energie des Photons fest Notwendige Koinzidenz begrenzt Strahlintensität e e- g Ee Eg Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

33 Spektrum einer Riesenresonanz in Photoabsorption
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34 GDR in deformierten Kernen
Aufspaltung der GDR in deformierten Kernen durch Oszillation in verschiedene Richtungen des intrinsischen Systems. J. A. Maruhn et al., PRC 71, (2005) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

35 GDR in deformierten Kernen
Schwingungen entlang einer langen Halbachse haben niedrigere Energie Je größer die Deformation, desto größer ist die Aufspaltung Die Stärke ist proportional der Anzahl der Halbachsen einer Länge: Die Breite (und tatsächliche Lage) ist bestimmt durch Einteilchen- zustände, die zur Resonanz beitragen bzw. an die sie koppelt sowie weitere Effekte J. A. Maruhn et al., PRC 71, (2005) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

36 GDR in deformierten Kernen (Beispiel Nd)
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37 Scherenschwingung “Scissors Mode”
Scherenmode … entdeckt an der TUD Bohle et al., NPA 458, 205 (1986) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

38 Coulombanregung bei relativistischen Energien
Semi-klassische Theorie: dselm / dE = Ng(E) sg(E) b>RP+RT Absorption von ‘virtuellen Photonen’ Pb selm ~ Z2 Adiabatischer cut-off: Hohe Geschwindigkeiten v/c  Hochfrequente Fourier-Komponenten Eg,max  25 MeV 1 GeV/u) Bestimmung der ‘Photonenergie’ (Anregungsenergie) über eine kinematisch vollständige Messung der Impulse aller auslaufen Teilchen (“invariant mass”) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

39 Experimenteller Aufbau bei GSI
“Cocktailstrahl” Geladene Teilchen ToF, DE LAND Tracking → Br ~ A/Qbg Neutronen ToF, x, y, z ~12 m Photonen Projektil- Tracking ALADIN Dipolmagnet mit großer Akzeptanz Crystal Ball und Target Beam Anregungsenergie E* von kinematisch vollständiger Messung aller auslaufenden Teilchen Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

40 Zwei-Phonon Dipolriesenresonanz in 136Xe und 208Pb
- Strahlenergien MeV/u auf diverse Targets - Übertragung von virtuellen Photonen (Coulombanregung) Nachweis von zwei Neutronen (+ g-Quanten) 2 ph g oder n 1 ph g g oder n 0 ph g Viele Teilchen-Loch-Zustände Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

41 Zwei-Phonon Dipolriesenresonanz in 208Pb
Nachweis von zwei g-Quanten Vergleich der experimentellen Observablen in 208Pb mit der Erwartung für einen harmonischen Oszillator Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

42 Andere Schwingungsmoden
Pygmyresonanz Unterhalb der Riesenresonanz weitere Resonanz mit kleinerer Stärke Vorgeschlagene Erklärung: In neutronenreichen Kernen kann die „Neutronenhaut“ gegen den Core schwingen P. Adrich et al., PRL 95 (2005) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17