Nuclear matter has exotic properties

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1 Nuclear matter has exotic properties
Around normal nuclear ground state density the compressibility can be determined from Giant Monope Resonances - Compressibility k= 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 Million Tons per cm3 115In 209Bi

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

3 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

4 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

5 „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)

6 Super Heavy Elements (SHE)
Übersicht Synthese: Neutronenbestrahlung ( ) Heiße Fusion ( ) 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 Thomas Bauer

7 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

8 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)

9 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.

10 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.“

11 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“ :

12 UNILAC Experimental Area

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

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

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

16 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

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

18 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

19 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

20 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

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

22 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

23 Typische Beobachtung im Detekor

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

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

26 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)

27 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

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