1 moderne experimente der kernphysik wintersemester 2011/12 vorlesung 01 – 19.10.2011
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Moderne Experimenteder Kernphysik
Wintersemester 2011/12
Vorlesung 01 – 19.10.2011
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Dozent: Professor Dr. Thorsten Kröll
Institut für KernphysikSchlossgartenstrasse 9S2 14 / 306Tel.: 06151-16-2925email: [email protected]
Sprechstunde: nach Vereinbarung … email, Anruf, nach der Vorlesung
Vorlesung
Montag 11:40 - 13:20 Uhr, S3 06 / 052Mittwoch 13:30 - 14:15 Uhr, S1 15 / 138
Dr. Marcus Scheck
Institut für KernphysikSchlossgartenstrasse 9
S2 14 / 5. StockTel.: 06151-16-2469email: [email protected]
Vertretung
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Dozent: Professor Dr. Thorsten Kröll
Institut für KernphysikSchlossgartenstrasse 9S2 14 / 306Tel.: 06151-16-2925email: [email protected]
Sprechstunde: nach Vereinbarung … email, Anruf, nach der Vorlesung
Vorlesung
Montag 11:40 - 13:20 Uhr, S3 06 / 052Mittwoch 13:30 - 14:15 Uhr, S1 15 / 138
Dr. Marcus Scheck
Institut für KernphysikSchlossgartenstrasse 9
S2 14 / 5. StockTel.: 06151-16-2469email: [email protected]
Vertretung
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• Termine & wichtige Hinweise • Unterlagen• Vorlesungspräsentationen• Web-Links…
Webseite zur Vorlesung
sowie:
http://www.ikp.tu-darmstadt.de/dasinstitut/gruppen/agkroell/tk_lehre/ …???
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Übungen
Mittwoch 14:25 - 15:10 Uhr, S1 15 / 138
Betreuer:Dr. Stoyanka IlievaDr. Alexander IgnatovDr. Marcus Scheck
Wir werden zwischen 4V+0Ü, 3V+1Ü und 2V+2Ü wechseln, je nachProgramm 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!!!
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Schein
• Regelmäßige Teilnahme an der Vorlesung• Aktive Teilnahme an den Übungen• Kurzes Prüfungsgespräch im Anschluß an das Semester
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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
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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
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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
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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(,L)-Werte),…
- Gamma-Detektoren
• Coulombanregung
- Theorie und praktische Beispiele
- Bestimmung von B(E2)-Werten
- Teilchendetektoren:: PPAC und Si-Detektoren
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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
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Themen WS 2011/12 (3)
• Restwechselwirkungen und „Seniorität“
• Nukleon-Nukleon-Potenziale
• Kollektive Anregungen I: Rotationen
- Superdeformation, Hyperdeformation
- Methode: Fusions-Verdampfungsreaktionen,
4-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, -Zerfall
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Themen WS 2011/12 (4)
• N=Z-Kerne
- Isospin
- Methode: -Zerfall
• Superschwere Elemente
- Strutinski-Schalenkorrektur-Methode
- Produktion superschwerer Elemente
- Chemie von SHE
• Hyperkerne
• Zusammenfassung und Ausblick
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Spektrum der Kernphysik
Quarks &Leptonen
<10 –21 m
Atome inFallen
10 –10 m
NMR vonProteinen
10 –8 m
Nuklear-medizin
1 m
AMS fürKlima-
forschung
10 7 m
Sonne
10 9 m
Supernovae
10 16 m
Urknall
0 10 26 m
Galaxien
10 20 m
Hadronen10 –15 m
Kerne
10 –14 m
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Effektive freieNukleon-NukleonWechselwirkung
(ab-initio Modelle)
Leichte Kerne
(A12)
?
Die Natur der effektiven
NN-Wechselwirkung ist nicht verstanden !!
?
Schwere Kerne
Effektivein-medium
Nukleon-NukleonWechselwirkung
Hierarchie der starken Wechselwirkung
Quarks&
Gluonen
QCD
Protonen&
Neutronen
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Nukleare Nukleare WeltkarteWeltkarteMeilenstein der KernstrukturSchalenmodell magische Zahlen
... auch für exotische Kerne???
r-Prozess Kerne
Neutronenabbruchkante“neutron dripline”?
Protonenabbruchkante“proton dripline”?
• Grenzen der Existenz weitestgehend unbekannt• Änderung der Kernstruktur???• Elementsynthese in Sternen
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Evolution des Kernpotentials - Isospinabhängigkeit
rV
Tal derStabilität
rV
neutronenreicheKerne
centralLS Vdr
dV Spin-Bahn Kopplung
•Wie verändert sich das zentrale Potential durch den Neutronenüberschuss?
•Wie hängt die Spin-Bahn Kopplung vom Isospin ab?
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Woher kommen die chem. Elemente im Universum?
„normale“Schalenstruktur
VeränderteSchalenstruktur
Pfeiffer et al.Z. Phys. A357 (97) 235
... aber NICHT die einzige Erklärungsmöglichkeit!!!
Elementsynthese in Supernovae:r-Prozess und Schalenstruktur
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„Asymptotische Freiheit“ der Modelle
… Modellen mangelt es an Vorhersagekraft!!!
Warum nicht einfach extrapolieren???
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Radien exotischer Kerne
Lehrbuchwissen: Kernradius = (1.2 – 1.5 fm) * A1/3
0 5 10 15 20 250
2
4
6
8
10
12
14
N
Z
I. Tanihata et al.
A=11
A=19
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Halo-Kerne und Neutronenhäute
Z=50
Z=30
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Veränderung der Schalenstruktur 1
Sauerstoff (Z=8)
nichtgebunden
gebundenN=16
N=14
Neue magische ZahlN=16
24O
N=20
Neue pn-Restwechselwirkungermöglicht Existenz von 31F:
1 Proton mehr bindet weitere 6 Neutronen!!!
8 20
N=8
N=20
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Veränderung der Schalenstruktur 2
T. Motobayashi et al.Ar S Si Mg Ne
38 36 34 32 30
100
50
0
150
N=20
B(E
2; 2
+
0+)
[e2 f
m4 ] ohne N=20 Schale
mit N=20 Schale
deformiert
Magische Zahl N=20ist für neutronenreiche Kerne
verschwunden
Lehrbuchwissen: Kerne mit magischenNukleonenzahlen sind sphärisch
De
form
atio
n
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Wie produziert und misst man radioaktive Kerne???
Messmethoden:- und Teilchenspektroskopie nach• Coulombanregung• Ein- und Mehrnukleontransferreaktionen• Knockout-Reaktionen• Fragmentation• Zerfallsspektroskopie
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• ...
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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)
sowieSPES (LNL, Italien), EXCYTE (LNS, Italien), ...
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Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)
UNILAC
SIS
FRS
ESR
100 m
in Darmstadt
heute
SIS 100/200
HESR
SuperFRS
NESR
CR
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FAIR in Darmstadt
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Production radioactiver Strahlen
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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)
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Produktion von radioaktiven Strahlen 1 – Fragmentation
Projektilfragmentation bei relativistischen Energien
Beide Fragmente sind hochangeregt und dampfen
Neutronen abAbb. von T. Glasmacher (NSCL/MSU)
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100Sn-Experiment @ FRS (GSI)
Lad
un
g Z
Masse A
Teilchenidentifizierung
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32
Produktion von radioaktiven Strahlen 2 – ISOL Methode
p, d
Produktions-target
Ionen-quelle
MassenSeparator
Nachbeschleuniger (5-10 MeV/A)
Produktions-target
Nachbeschleuniger (5-10 MeV/A)
Driver Beschleuniger
n
Experiment
Experiment
Ionen-quelle
MassenSeparator
Reaktor
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33
REX-ISOLDE @ CERN
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34
REX-ISOLDE @ CERN
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35
REX-ISOLDE @ CERN 2
Courtesy: http://isolde.web.cern.ch/ISOLDE/
“Ladungsbrüten” A/q ~ 4
REX-Trap
EBIScharge-breeder
IHSRFQ 3x 7Gap9 Gap
Miniball
RIB
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36
REX-ISOLDE @ CERN 3
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Detektoren und Messmethoden
1.05 GeV
K