Moderne Experimente der Kernphysik

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

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

2 Vorlesung Montag 11:40 - 13:20 Uhr, S3 06 / 052
Mittwoch 13: :15 Uhr, S1 15 / 138 Dozent: Professor Dr. Thorsten Kröll Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9 S2 14 / 306 Tel.: Sprechstunde: nach Vereinbarung … , Anruf, nach der Vorlesung Vertretung Dr. Marcus Scheck S2 14 / 5. Stock Tel.: Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9

3 Vorlesung Montag 11:40 - 13:20 Uhr, S3 06 / 052
Mittwoch 13: :15 Uhr, S1 15 / 138 Dozent: Professor Dr. Thorsten Kröll Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9 S2 14 / 306 Tel.: Sprechstunde: nach Vereinbarung … , Anruf, nach der Vorlesung Vertretung Dr. Marcus Scheck S2 14 / 5. Stock Tel.: Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9

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

5 Übungen Mittwoch 14:25 - 15:10 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 Schein Regelmäßige Teilnahme an der Vorlesung
Aktive Teilnahme an den Übungen Kurzes Prüfungsgespräch im Anschluß an das Semester

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 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 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 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(p,L)-Werte),… - Gamma-Detektoren Coulombanregung - Theorie und praktische Beispiele - Bestimmung von B(E2)-Werten - Teilchendetektoren:: PPAC und Si-Detektoren

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 Themen WS 2011/12 (3) Nukleon-Nukleon-Potenziale
Restwechselwirkungen und „Seniorität“ Nukleon-Nukleon-Potenziale Kollektive Anregungen I: Rotationen - Superdeformation, Hyperdeformation - Methode: Fusions-Verdampfungsreaktionen, 4p-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, a-Zerfall

13 Themen WS 2011/12 (4) N=Z-Kerne - Isospin - Methode: b-Zerfall
Superschwere Elemente - Strutinski-Schalenkorrektur-Methode - Produktion superschwerer Elemente - Chemie von SHE Hyperkerne Zusammenfassung und Ausblick

14 Spektrum der Kernphysik
Urknall 0  m Quarks & Leptonen <10 –21 m Galaxien 10 20 m Supernovae 10 16 m Hadronen 10 –15 m Kernphysik Sonne 10 9 m Kerne 10 –14 m AMS für Klima- forschung 10 7 m Atome in Fallen 10 –10 m Nuklear- medizin 1 m NMR von Proteinen 10 –8 m

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

16 Karte der bekannten Nuklide

17 Nukleare Weltkarte Meilenstein der Kernstruktur
Schalenmodell è magische Zahlen ... auch für exotische Kerne??? Neutronenabbruchkante “neutron dripline”? Protonenabbruchkante “proton dripline”? r-Prozess Kerne Grenzen der Existenz weitestgehend unbekannt Änderung der Kernstruktur??? Elementsynthese in Sternen

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

19 Woher kommen die chem. Elemente im Universum?
Elementsynthese in Supernovae: r-Prozess und Schalenstruktur Veränderte Schalenstruktur „normale“ Schalenstruktur Pfeiffer et al. Z. Phys. A357 (97) 235 ... aber NICHT die einzige Erklärungsmöglichkeit!!!

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

21 Radien exotischer Kerne
Lehrbuchwissen: Kernradius = (1.2 – 1.5 fm) * A1/3 5 10 15 20 25 2 4 6 8 12 14 N Z I. Tanihata et al. A=11 A=19

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

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

24 Veränderung der Schalenstruktur 2
Lehrbuchwissen: Kerne mit magischen Nukleonenzahlen sind sphärisch Magische Zahl N=20 ist für neutronenreiche Kerne verschwunden deformiert T. Motobayashi et al. Ar S Si Mg Ne 38 36 34 32 30 100 50 150 N=20 B(E2; 2+  0+) [e2fm4] ohne N=20 Schale mit N=20 Schale Deformation

25 Wie produziert und misst man radioaktive Kerne???
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 ... Messmethoden: g- und Teilchenspektroskopie nach Coulombanregung Ein- und Mehrnukleontransferreaktionen Knockout-Reaktionen Fragmentation Zerfallsspektroskopie

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

28 FAIR in Darmstadt

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

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 100Sn-Experiment @ FRS (GSI)
Teilchenidentifizierung Ladung Z è Masse A è

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

33 CERN

34 CERN

35 Courtesy: http://isolde.web.cern.ch/ISOLDE/
CERN 2 “Ladungsbrüten” A/q ~ 4 REX-Trap Miniball RIB RFQ IHS 9 Gap 3x 7Gap EBIS charge-breeder Courtesy:

36 CERN 3

37 Detektoren und Messmethoden
1.05 GeV p+ K+