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

Der hierarchische Aufbau der Materie Quarks < 10-18 m 0,000.000.000.000.000.001 m Atomkern 10-14 m Nukleon 10-15 m 0,000.000.000.000.01 m Atom 10-10 m 0,000.000.000.1 m Kristall 10-9 m 0,000.000.01 m DNA 10-8 m Materie 10-1 m 1 m Sterne, Planeten 108 m 100.000.000 m Galaxie 1021 m 1.000.000.000.000.000.000.000 m Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

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

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

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

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

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

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

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

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

Erste Strukturuntersuchungen an Atomen und Kernen Hochauflösende Massenspektrographen von Sir F. W. Aston: Entdeckung von 212 der 287 natürlich vorkommenden Isotope (1925-1935): 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

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

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

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

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

Erzeugung exotischer Kerne am FRS Produktionsraten ~ 105/sek ..... 10-5/sek (1/Tag) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

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

Erfolgreiche Experimente 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. 109 238U /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

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

FRS und Super-FRS im Vergleich 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": 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 (~ 0,000.000.1 Sekunde) 40.000.000.000 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

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

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

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

Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS GSI Darmstadt, D-64291 Darmstadt, Germany Justus-Liebig Universität Gießen, D-35390 Gießen, Germany Institute of Analytical Instrumentation, RAS, 198103 St. Petersburg, Russia Michigan State University, East Lansing, MI 48824, USA Argonne National Laboratory, Argonne, IL 60439, USA St. Petersburg State Technical University, 195251 St. Petersburg, Russia Johannes Gutenberg Universität, D-55099 Mainz, Germany Technische Universität Dresden, D-01062, Germany Philipps Universität Marburg, D-35032, Germany Fachhochschule Mainz, D-55099 Mainz, Germany Babcock Noell Nuclear, D-97080 Würzburg, Germany Technische Universität Darmstadt, D-64289 Darmstadt, Germany Forschungszentrum Karlsruhe, D-76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Germany Riken, 2-1 Hirosawa, Wako, Saitama 351-0198, Japan CAE, Saclay, F-91191 Gif-sur Yvette, France University of Surrey, Guildford, GU2 5XH, UK Univeridade de Santiago de Compostela, E-15706 Santiago de Compostela, Spain Technische Universität München, D-85748 Garching, Germany Comenius University Bratislava, Sk-84248 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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: 2007 - 2010 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 2010 ...hallo HKR ? ...wir brauchen mehr Strahl ! Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS