Nuclear matter has exotic properties Around normal nuclear ground state density the compressibility can be determined from Giant Monope Resonances - Compressibility k=200-400 MeV Although we know nuclear matter only in small portions inside atoms, it exists in nature also in big portions: - Neutron Stars have a diameter of typically 10 km Nuclear matter is extremely heavy 280 Million Tons per cm3 115In 209Bi

Nuclear matter has exotic properties nucleon-nucleon interaction 'global properties' e.g. binding energies, radii, charge density distributions Nuclear matter properties

Element Production in the Universe Sun Ds Rg Big Bang nucleosynthesis Hydrogen burning/CNO Helium burning Carbon burning Neon burning Oxygen burning Silicon burning photodesintegration spallation on ISM s-process / p-process in AGB stars r-process in supernovea ISM interstellar matter Eta Carinae

Solar Abundances of Elements Solar abundance (Si28 = 106) open questions: Big Bang fusion reactions neutron reactions Why is Fe more common than Au ? Why do the heavy elements exist and how are they produced? Can we explain the solar abundances of the elements? Mass number

„superheavy“ are nuclei with Table of Nuclides Stabile Kerne β+, ε Zerfall β_ Zerfall p Zerfall α Zerfall Spontanspaltung Today's definition: „superheavy“ are nuclei with Z ≥ 104 (Rutherfordium, Rf)

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 2003-07-02 Thomas Bauer

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

Leichtes Projektil wird auf schweres Target geschossen 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)

Kern-Fusion Reaktion: a + A → C∗ → B + b > Δm = ma + mA - mCN Herausforderung: ● Coulomb-Barriere VC zwischen Projektil und Targetkern muss überwunden werden ● Anregungsenergie des Compoundkerns E*=Ekin+Δm·c2 muss reduziert werden (Abdampfung von Neutronen), um Spontanspaltung zu verhindern.

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.“

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“ :

UNILAC Experimental Area

Seperator for Heavy Ion Products (SHIP) - 11 Meter lang - Separationszeit 1-2μs - Vakuumbedingungen

Rad besteht aus Pb oder Bi-Folie SHIP – Target Rad besteht aus Pb oder Bi-Folie (100-500) mg/cm2 und dreht sich mit 1000 U/min niedrige Schmelztemperaturen begrenzen den maximalen Strahl auf 2x1012 Teilchen/s - Kühlung durch Metallplatten

SHIP – Quadrupol Linsen Linsen fokussieren den Strahl - nötig wegen Streuung am Target - Maße Radius: 7.5cm Länge: 25cm

Reaktionsprodukte verlassen das Target langsamer SHIP – Velocity Filter Reaktionsprodukte verlassen das Target langsamer E- und B-Feld stehen senkrecht electric deflectors: ±330 kV dipole magnets: 0.7 T max

SHIP – Velocity Filter Wahl von E und B bestimmt die durchzulassende Geschwindigkeit Abgelenkter Strahl wird auf gekühlter Kupferplatte gestoppt

Strahl ist nun grob gefiltert, aber SHIP – Velocity Filter Strahl ist nun grob gefiltert, aber - Teilchen mit hoher Geschwindigkeit werden aussortiert - Teilchen mit zufällig gleicher Geschwindigkeit wie die SHE passieren aber den Filter Lösung ist der 5. Dipolmagnet

SHIP – 5. Dipolmagnet Lenkt den Strahl um 7.5° ab - sehr schnelle Teilchen werden weniger abgelenkt - zufällig gleichschnelle Teilchen werden aufgrund ihrer niedrigeren Energie mehr abgelenkt

time of flight-detector (tof) - besteht aus dünnen C-Folien SHIP - Detectors time of flight-detector (tof) - besteht aus dünnen C-Folien (2 oder 3 hintereinander) stop-detector - besteht aus 7 identischen 16-Streifen Silizium-Detektoren und drei Germanium-Detektoren

SHIP - tof gibt an, wenn ein SHE-Kandidat den Geschwindigkeitsfilter passiert hat grobe Massenbestimmung (±10%)

Fläche: 27*87mm2, Dicke: 0.3mm, bei Kühlung 260K ΔE=30keV SHIP – Stop-Detektor ortsempfindliche Silizium-Sperrschichtzähler bestimmen Auftreffort und Energie Fläche: 27*87mm2, Dicke: 0.3mm, bei Kühlung 260K ΔE=30keV (FWHM), Δx=0.3mm (FWHM) Zerfallsketten können dort beobachtet werden (Mutter-, Tochter, Enkelinkern usw.): Korrelationsmethode

Typische Beobachtung im Detekor

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)

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