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1 Moderne Experimente der Kernphysik Wintersemester 2011/12 Vorlesung 01 – 19.10.2011.

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Präsentation zum Thema: "1 Moderne Experimente der Kernphysik Wintersemester 2011/12 Vorlesung 01 – 19.10.2011."—  Präsentation transkript:

1 1 Moderne Experimente der Kernphysik Wintersemester 2011/12 Vorlesung 01 –

2 2 Dozent: Professor Dr. Thorsten Kröll Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9 S2 14 / 306 Tel.: Sprechstunde: nach Vereinbarung … , Anruf, nach der Vorlesung Vorlesung Montag 11: :20 Uhr, S3 06 / 052 Mittwoch 13: :15 Uhr, S1 15 / 138 Dr. Marcus Scheck Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9 S2 14 / 5. Stock Tel.: Vertretung

3 3 Dozent: Professor Dr. Thorsten Kröll Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9 S2 14 / 306 Tel.: Sprechstunde: nach Vereinbarung … , Anruf, nach der Vorlesung Vorlesung Montag 11: :20 Uhr, S3 06 / 052 Mittwoch 13: :15 Uhr, S1 15 / 138 Dr. Marcus Scheck Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9 S2 14 / 5. Stock Tel.: Vertretung

4 4 Termine & wichtige Hinweise Unterlagen Vorlesungspräsentationen Web-Links … Webseite zur Vorlesung sowie: tk_lehre/ …???

5 5 Übungen Mittwoch 14: :10 Uhr, S1 15 / 138 Betreuer: Dr. Stoyanka Ilieva Dr. Alexander Ignatov Dr. Marcus Scheck Wir werden zwischen 4V+0Ü, 3V+1Ü und 2V+2Ü wechseln, je nach Programm 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!!!

6 6 Schein Regelmäßige Teilnahme an der Vorlesung Aktive Teilnahme an den Übungen Kurzes Prüfungsgespräch im Anschluß an das Semester

7 7 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

8 8 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

9 9 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

10 10 Themen WS 2011/12 (1) Einführung Produktion exotischer Kerne - ISOL (TRIUMPH, ISOLDE) - Fragmentation-in-flight (GSI, - 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

11 11 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

12 12 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

13 13 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

14 14 Spektrum der Kernphysik Quarks & Leptonen <10 –21 m Atome in Fallen 10 –10 m NMR von Proteinen 10 –8 m Nuklear- medizin 1 m1 m AMS für Klima- forschung 10 7 m Sonne 10 9 m Supernovae m Urknall m Galaxien m Hadronen 10 –15 m Kerne 10 –14 m

15 15 Effektive freie Nukleon-Nukleon Wechselwirkung (ab-initio Modelle) Leichte Kerne (A 12) ? Die Natur der effektiven NN-Wechselwirkung ist nicht verstanden !! ? Schwere Kerne Effektive in-medium Nukleon-Nukleon Wechselwirkung Hierarchie der starken Wechselwirkung Quarks & Gluonen QCD Protonen & Neutronen

16 16 Karte der bekannten Nuklide

17 17 Nukleare Weltkarte Meilenstein der Kernstruktur Schalenmodell 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

18 18 Evolution des Kernpotentials - Isospinabhängigkeit r V Tal der Stabilität r V neutronenreiche Kerne Spin-Bahn Kopplung Wie verändert sich das zentrale Potential durch den Neutronenüberschuss? Wie hängt die Spin-Bahn Kopplung vom Isospin ab?

19 19 Woher kommen die chem. Elemente im Universum? normale Schalenstruktur Veränderte Schalenstruktur Pfeiffer et al. Z. Phys. A357 (97) aber NICHT die einzige Erklärungsmöglichkeit!!! Elementsynthese in Supernovae: r-Prozess und Schalenstruktur

20 20 Asymptotische Freiheit der Modelle … Modellen mangelt es an Vorhersagekraft!!! Warum nicht einfach extrapolieren???

21 21 Radien exotischer Kerne Lehrbuchwissen: Kernradius = (1.2 – 1.5 fm) * A 1/ N Z I. Tanihata et al. A=11 A=19

22 22 Halo-Kerne und Neutronenhäute Z=50 Z=30

23 23 Veränderung der Schalenstruktur 1 Sauerstoff (Z=8) nicht gebunden N=16 N=14 Neue magische Zahl N=16 24 O N=20 Neue pn-Restwechselwirkung ermöglicht Existenz von 31 F: 1 Proton mehr bindet weitere 6 Neutronen!!! 820 N=8 N=20

24 24 Veränderung der Schalenstruktur 2 T. Motobayashi et al. Ar S Si Mg Ne N=20 B(E2; ) [e 2 fm 4 ] ohne N=20 Schale mit N=20 Schale deformiert Magische Zahl N=20 ist für neutronenreiche Kerne verschwunden Lehrbuchwissen: Kerne mit magischen Nukleonenzahlen sind sphärisch Deformation

25 25 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...

26 26 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) sowie SPES (LNL, Italien), EXCYTE (LNS, Italien),...

27 27 Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) UNILAC SIS FRS ESR 100 m in Darmstadt heute SIS 100/200 HESR Super FRS NESR CR

28 28 FAIR in Darmstadt

29 Production radioactiver Strahlen 29 Methoden – Ueberblick: -Super Novae Typ II -Fragmentation im Flug (MSU, GSI -> FAIR) -Isotope online separation (ISOL)-Technik (ISOLDE, TRIUMPH) -Spaltquelle z.B. 252 Cf Argonne National Lab) - Fusions-Verdampfungsreaktionen (z.B. JYFL)

30 30 Produktion von radioaktiven Strahlen 1 – Fragmentation Projektilfragmentation bei relativistischen Energien Beide Fragmente sind hochangeregt und dampfen Neutronen ab Abb. von T. Glasmacher (NSCL/MSU)

31 FRS (GSI) Ladung Z Masse A Teilchenidentifizierung

32 32 Produktion von radioaktiven Strahlen 2 – ISOL Methode p, d Produktions- target Ionen- quelle Massen Separator Nachbeschleuniger (5-10 MeV/A) Produktions- target Nachbeschleuniger (5-10 MeV/A) Driver Beschleuniger n Experiment Ionen- quelle Massen Separator Reaktor

33 33 CERN

34 34 CERN

35 35 CERN 2 Courtesy: Ladungsbrüten A/q ~ 4 REX-Trap EBIS charge-breeder IHS RFQ 3x 7Gap 9 Gap Miniball RIB

36 36 CERN 3

37 37 Detektoren und Messmethoden 1.05 GeV K


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