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

Vorlesung Montag 11:40 - 13:20 Uhr, S3 06 / 052 Mittwoch 13:30 - 14:15 Uhr, S1 15 / 138 Dozent: Professor Dr. Thorsten Kröll Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9 S2 14 / 306 Tel.: 06151-16-2925 email: tkroell@ikp.tu-darmstadt.de Sprechstunde: nach Vereinbarung … email, Anruf, nach der Vorlesung Vertretung Dr. Marcus Scheck S2 14 / 5. Stock Tel.: 06151-16-2469 email: mscheck@ikp.tu-darmstadt.de Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9

Vorlesung Montag 11:40 - 13:20 Uhr, S3 06 / 052 Mittwoch 13:30 - 14:15 Uhr, S1 15 / 138 Dozent: Professor Dr. Thorsten Kröll Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9 S2 14 / 306 Tel.: 06151-16-2925 email: tkroell@ikp.tu-darmstadt.de Sprechstunde: nach Vereinbarung … email, Anruf, nach der Vorlesung Vertretung Dr. Marcus Scheck S2 14 / 5. Stock Tel.: 06151-16-2469 email: mscheck@ikp.tu-darmstadt.de Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9

Webseite zur Vorlesung http://www.ikp.tu-darmstadt.de/dasinstitut/gruppen/agkroell/ tk_lehre/ …??? Termine & wichtige Hinweise Unterlagen Vorlesungspräsentationen Web-Links … sowie:

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!!!

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

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

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

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

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

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

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

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

Spektrum der Kernphysik Urknall 0  10 26 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

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 !!

Karte der bekannten Nuklide

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

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

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!!!

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

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

Halo-Kerne und Neutronenhäute Z=50 Z=30

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

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

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

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), ...

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

FAIR in Darmstadt

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 (CARIBU @ Argonne National Lab) - Fusions-Verdampfungsreaktionen (z.B. JYFL)

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

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

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)

REX-ISOLDE @ CERN

REX-ISOLDE @ CERN

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

REX-ISOLDE @ CERN 3

Detektoren und Messmethoden 1.05 GeV p+ K+