MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne 13.4. Einführung, Beschleuniger 20.4. Schwerionenreaktionen, Synthese superschwerer Kerne (SHE) 27.4. Kernspaltung und Produktion neutronenreicher Kerne 4.5. Fragmentation zur Erzeugung exotischer Kerne 11.5. Halo-Kerne, gebundener Betazerfall, 2-Protonenzerfall 18.5. Wechselwirkung mit Materie, Detektoren 25.5. Schalenmodell 1.6. Restwechselwirkung, Seniority 8.6. Tutorium-1 15.6. Tutorium-2 22.6. Vibrator, Rotator, Symmetrien 29.6. Schalenstruktur fernab der Stabilität 6.7. Tutorium-3 13.7. Klausur

The Chart of Nuclides - the „Playground“ for Nuclear Physics representation of isotopes in the Z-N plane isotope: atom (nucleus) of an element with different number of neutrons island of stability ? stabilisation via shell effects Pb (lead) and Bi (bismuth) Z = 100 U (uranium) and Th (thorium) black: stable isotope red: +-unstable isotope blue: --unstable isotope yellow: -instable isotope green: spontaneous fission

Super Heavy Elements (SHE) Übersicht Synthese: Neutronenbestrahlung (1940-1952) Heiße Fusion (1952-1974) Kalte Fusion (ab 1974) Nachweis von superschweren Elementen mit dem Geschwindigkeitsfilter SHIP Ablenkung im elektrischen und magnetischen Feld Implantationsdetektor und Alpha-Zerfall Coulomb-Barriere Q-Wert der Fusionsreaktion Wirkungsquerschnitt der Reaktion Alpha-Zerfall

Neutronenbestrahlung (~1940) Schwere Elemente werden mit Neutronen beschossen 23 min 2.355 d Strategie erfolgreich bis Element 100 (Fermium) Fermium besitzt kein Isotop mit β_ -Zerfall! kurze Lebensdauer aufgrund α-Zerfall und Spaltung

Heiße Fusion (~1952) Leichtes Projektil wird auf schweres Target geschossen “Hot Fusion” "Heiße" Fusion 20-40X + Actinide E*CN ≈ 45MeV 4n-5n Kanal "n-reiche" Isotope Strategie erfolgreich bis Element 106 (Seaborgium)

Heiße Fusion (~1952) “Hot Fusion” Coulomb Barriere VC zwischen Projektil und Targetkern muß überwunden werden. = 126.2 MeV ( 26Mg + 248Cm) r Reaktion: a + A → C* → B + b Δm = ma + mA –mCN Δm = (25.983 + 248.072 – 274.143) * 931.478 MeV/c2 = -82.153 MeV/c2 Anregungsenergie des Compoundkerns E* = Ekin + Δm·c2 = 126.2 MeV – 82.2 MeV = 44.0 MeV etwa 4 Neutronen werden abgedampft, um Spontanspaltung zu verhindern Mass data: nucleardata.nuclear.lu.se/database/masses/

Kalte Fusion (~1974) Ein schwerer und mittelschwerer Kern werden verschmolzen Einschussenergie: Kernen müssen gerade eben die Coulomb-Barriere überwinden "Kalte" Fusion 50-70X + Pb, Bi E*CN ≈ 10MeV 1n Kanal "n-arme" Isotope „Soviel Energie wie nötig, aber so wenig Energie wie möglich.“

Kalte Fusion (~1974) Coulomb Barriere VC zwischen Projektil und Targetkern muß überwunden werden. = 223.3 MeV ( 58Fe + 208Pb) r Reaktion: a + A → C* → B + b Δm = ma + mA –mCN Δm = (57.933 + 207.977 – 266.130) * 931.478 MeV/c2 = -205.092 MeV/c2 Anregungsenergie des Compoundkerns E* = Ekin + Δm·c2 = 223.3 MeV – 205.1 MeV = 18.2 MeV etwa 1-2 Neutronen werden abgedampft, um Spontanspaltung zu verhindern Mass data: nucleardata.nuclear.lu.se/database/masses/

Der 2-Stufenprozess: Fusion - Abdampfung even-even compound nucleus final nucleus plus neutron Elab [MeV]  [mbarn] 50Ti + 208Pb  258Rf* (HIVAP Rechnungen) n fission Fusion 5-7 Größenordnungen Spaltung Beide Zerfallsprozesse sind durch die Niveaudichte bestimmt, entweder von der im Restkern oder am Sattelpunkt. Niveaudichte: 3n 1n 2n Verdampfungsrestkerne (VR)

Synthesis of Heavy Elements 70Zn 277112 n 208Pb Fusion _1_ 1012

Production cross section The production cross section: fusion cross section and survival probability Nucleus: 1 barn = 10-24 cm2 = 10-28 m2 fusion cross section: < 1 barn Production cross section 277112:  1 pbarn = 10-12 barn 1:1012 Charlotte Buff‘s house: Area x 130 m2 1.3x102 m2 Wetzlar: Area 75.67 km2 1.3x107 m2/2 Earth: -Area 1.3x108 km2 1.3x1014 m2 1:107 1:105 1:1012

Ereignisrate für SHE-Produktion 2·1012/s Projektile → 208Pb Target (0.5mg/cm2) 208g ≡ 6.02·1023 Atome 0.5mg ≡ 1.45·1018 Atome Luminosität: Np·Nt=2.9·1030[s-1cm-2] SHIP Transmission: ε=40% Wirkungsquerschnitt: σ =1[pb] =10-36[cm2] Ereignisrate: Np·Nt·ε·σ = 1·10-6[s-1] = 0.1[d-1] Np Np(x)

Selektion von Kernmassen

TransActinide Separator and Chemistry Apparatur Neuer gasgefüllter Separator für SHE Aktiniden Targets (U, Pu, Am, …) Höchsten UNILAC Strahl Intensitäten Hohe Transmission ~60% Kleine Abbildung ~40% 5 cm x 12 cm 3 cm Der gasgefüllte Separator trennt die mit dem Beschleuniger erzeugten Atome sehr selektiv von anderen Reaktionsprodukten ab.

Physikalische Aspekte eines gas-gefüllten Separators Vakuum Gas (He: 0.5 – 2 mbar) Fusionskerne verlassen das Target in verschiedenen Ladungszuständen. In einem gas-gefüllten Separator stellt sich schnell ein mittlerer Ladungszustand ein (B·ρ unabhängig von v), so dass die Transmission wesentlich verbessert wird. Bohr Geschwindigkeit v0=c/137

Vakuum oder gasgefüllter Separator Schwerionen verlassen das Target mit Ladungsverteilung Vakuumsystem akzeptiert nur wenige Ladungszustände exzellente Auflösung Streuung der Ionen mit dem Gas (Geschwindigkeit der Ionen und Elektronen etwa gleich groß) magnetische Steifigkeit Bρ ist unabhängig von der Geschwindigkeit, da auch der mittlere Ladungszustand von der Geschwindigkeit abhängt große Akzeptanz ABER: geringe Auflösung, Untergrundsunterdrückung

TASISPEC – TASCA Small Image Spectrometer DSSSD: 0.5mm, 32x32 strips 4 SSSD: 1.0mm, 4x32 strips Efficiency: ~80% (alpha) ~50-100 keV energy threshold Ge-cube: 4 Clover, 1 Cluster: 23 Ge crystals Efficiency: ~40% at 250 keV Multi-coincidence options

The JUROGAM array + RITU + GREAT spectrometer

Rotationsspektren in 254No Rotationsenergie: Gamma – Energie: J 3 S. Eeckhaudt et al., Eur. Phys. J. A 26, 227 (2005)

UNILAC Experimental Area

Nachweis von verschiedenen Kernen Grundsätzliche Ausnutzung der unterschiedlichen Ablenkungen von verschieden schnellen/ schweren geladenen Atomen im e.m. Feld. Einfachste und älteste Methoden: Parabelmethode (E und B parallel) Wien-Filter (E und B senkrecht) Ablenkung nach „unten“: Ablenkung zur „Seite“ :

Separator for Heavy Ion Products (SHIP) Reaktionsprodukte verlassen das Target langsamer E- und B-Feld stehen senkrecht electric deflectors: ±330 kV dipole magnets: 0.7 T max

SHIP - Geschwindigkeitsfilter Wahl von E und B bestimmt die durchzulassende Geschwindigkeit Abgelenkter Strahl wird auf gekühlter Kupferplatte gestoppt

SHIP – Stop Detektor γ α (ΔE signal) SHE wird in einem Pixel nachgewiesen ortsempfindlicher Silizium-Sperrschichtzähler bestimmt Ort und Energie von SHE und α, β, ... Fläche: 27*87mm2, Dicke: 0.3mm, 16 Streifen Energieauflösung ΔE=18-20 keV @ Eα> 6MeV (Kühlung 260K) Positionsauflösung Δx=0.3mm (FWHM) Warten auf Emission eines α-Teilchens (oder β-Teilchens) Korrelationsmethode: Implantation und Zerfallsereignis im selben Pixel

ER – α Correlation method - Example: 58Fe + 209Bi → 266Mt + 1n CN Si (STOP) detector date: August 29th 1982 time: 16:10 h 2 (escape) 11.10 MeV 5 ms 266Mt 1 ER sf 1.14 MeV (escape) 22 ms 258Db 258Db 188 MeV 12.9 s 300 m

Revelation of escape α´s - „Backward Box“ Si detector array Si (STOP) detector 2 (escape) 1 ER "backward box" for detecting escape 's  effiency increase: from ~50% to ›80-85% sf 300 m

Synthesis and identification of heavy elements with SHIP 8 cm 70Zn 277112 n 208Pb ER 277112 273110 269Hs 265Sg 261Rf 257No 11.45 MeV 280 s 11.08 MeV 110  s 9.23 MeV 19.7 s 4.60 MeV (escape) 7.4 s 8.52 MeV 4.7 s 253Fm 8.34 MeV 15.0 s Date: 09-Feb-1996 Time: 22:37 h 277112 31 cm known kinematical separation (in flight) using electric deflectors and dipole magnets  velocity filter Identification by - correlations down to known isotopes

Periodic Table of the Elements Cn ≡ Copernicium natural, stable natural, unstable artificial, unstable discovered at GSI, unstable not yet confirmed

Ekin(α) Wie groß ist die α-Energie für das System unter Berücksichtigung der Rückstoßenergie? Mass data: nucleardata.nuclear.lu.se/database/masses/ Ekin(TK) BE(214Po) = 1666.0 MeV BE(210Pb) = 1645.6 MeV BE(4He) = 28.3 MeV Qα = 7.83 MeV Impulssatz: Energiesatz: