moderne experimente der kernphysik

Moderne Experimenteder KernphysikWintersemester 2011/12 Vorlesung 17 18.01.2012

Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Krll | Vorlesung 17

Kernoszillationen Oberflchenvibrationen Riesenresonanzen


KernoszillationenBisher haben wir folgendes System betrachtet:

Deformierter Kern mit mehreren Valenzprotonen und neutronen,der eine kollektive Rotationsbewegung ausfhrtEin weitere mgliche Anregungsform sind kollektive Oszillationen von Kernen

Bei Betrachtung des Kerns als Flssigkeitstropfen ist klar, dassKerne Oberflchenschwingungen durchfhren knnen


Der 5-dimensionale harmonische Oszillator 1Wir beschrnken uns hier zunchst auf reine Quadrupolschwingungen!!


Der 5-dimensionale harmonische Oszillator 2Hamiltonian:nb ist die Anzahl von Phononen

|nb ist die Wellenfunktion des nb Phononen ZustandesDer Operator b+b zhlt die Anzahl der Phononenbergang ins Phononenbild:


Quadrupol-Phononenb+ ist der Erzeuger eines Quadrupolphonons mit Drehimpuls 2Frage: Welche Drehimpulse sind mglich? M-Schema fr Bosonen:


M-Schema fr 2 Phononen


Multipletts des harmonischen Quadrupol-Oszillators


Elektromagnetische bergngeDer Erzeugungs- und Vernichtungsoperator der Quadrupolphononen ist der elektrische Quadrupoloperator. (Schwingung der Ladungsdichte!)

Es wird also Quadrupol-bergnge (E2) zwischen den Phononenzustnden geben.Auswahlregel:DNph = 1bergnge bei denen mehr als ein Phonon vernichtet oder erzeugt werden, sind in erster Ordnung verboten!Mgliche Schlussfolgerung:bergang vom 2-Phononen Zustand zum 1-Phononen Zustand hat selbe bergangswahrscheinlichkeit wie der bergang vom 1-Phononen Zustand zum Grundzustand. (FALSCH!!!)


bergangswahrscheinlichkeiten 1E2 bergang wird durch Vernichtung des Phonons induziert.


Verzweigungsverhltnisse (3ph nach 2ph) 6+ und 0+ 3-Phonon Zustnde knnen nur durch eine spezifische Kopplung der drei Phononendrehimpulse erzeugt werden.


Reale Kerne: 118Cd


AnharmonizittenBisher sind wir vom harmonischen Oszillator mit entarteten Energien ausgegangenEs gibt aber auch die Mglichkeit, dass Phononen miteinander wechselwirken.Phonon-Phonon WechselwirkungFormal fhrt man Terme hherer Ordnung der Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren ein:Damit knnen auch anharmonischeAnregungsschemata beschrieben werden


Mikroskopische Erklrung der VibrationKohrente Teilchen-Loch Anregung von Valenznukleonen (Fermionen!) zwischen Orbitalen mit DL=2 und DS=0DS=0, da Quadrupoloperator Y2m nicht auf S wirkt, also muss Spinwellenfunktion in beiden Zustnden gleich seinCd IsotopeZ=48, N66Theoretische Grundlage:Tamm Dankoff Approximation (TDA) / Random Phase Approximation (RPA)


Multi-Phonon Zustnde und das Pauli Prinzip Annahme:Der 1-Phononen Zustand wird durch zwei Teilchen-Loch Anregungen erzeugt Der 2-Phononen Zustand wird durch duplizieren der ersten Anregung erzeugt Ein 3-Phononen Zustand kann nicht mehr durch die selbe Anregung erzeugt werden, da der d3/2 Zustand nur mit maximal 4 Teilchen (Pauli-Prinzip!) besetzt werden kann.In diesem Beispiel kann ein 3-Phononen Zustand dann nur durch eine andere Anregung erzeugt werden.Dieser 3-Phononen Zustand wird dann auch bei einer anderen Energie liegen AnharmonizittenDie Existenz von Multi-Phonon Zustnden in Kernen ist also fundamental an die beteiligten Einteilchenorbitale und das Pauli-Prinzip gebunden.


OktupolschwingungY30, p=(-1)3=-1Es gibt mehrere Orbitale unterhalb der Fermienergie bei Z=82, N=126 mit (DL=3, DS=0) Partnern oberhalb der Fermienergie


Systematik der Oktupolschwingungenleichte Kerne: Abstand von Fermikante zu Orbitalen mit DL=3 i.A. gross,also grosse Anregungsenergieschwere Kerne: Hochspinorbitale auch in der Nhe der Fermikante, alsoOktupolvibrationen bei relativ niedrigen Energien mglich


Kopplung von PhononenBisher haben wir nur Mehrphononenzustnde betrachtet, die von einer Art von Phononen gebildet werden.

Man kann aber auch Phononen verschiedenen Ursprungs koppeln.


Quadrupol-Oszillationen in deformierten Kernen


Erweitertes Anregungsschema deformierter KerneDie oszillierende Konfiguration kann natrlich zustzlich rotieren.


Erweitertes Anregungsschema deformierter Kerne: 232Thb-Bandeg-Bande2-Phonon-Oktupol-BandeKp = (0+) ???? 1-Phonon-Oktupol-BandenKp = 0- , 1-, 2-, (3- ??) 1-Phonon-Quadrupol-BandenKp = 0+ , 2+ Knnte auch 2-Phonon-g-Bande(Kp = 4+) sein ...????Th. Krll, Dissertation (Frankfurt)


RiesenresonanzenBisher:Oszillationen verursacht durch Teilchen-Loch Anregungen der Valenznukleonen zwischen Zustnden der selben Oszillatorschale. Es gibt aber auch Oszillationen, bei denen alle Nukleonen kohrent an der Oszillation beteiligt sind.

Diese Oszillationen nennt man Riesenresonanzen.Quadrupol-Riesenresonanz


SpektrumAnregungsenergieDiskrete gebundene ZustndeRiesenresonanz(ungebunden)Experimentelle Beobachtung: breite Resonanzstruktur z.B. in (g,n)-Reaktionen


Mikroskopischer HintergrundOberflchen-vibrationen: Wenige Nukleonen beteiligt Anregungen meist innerhalb einer Schale Diskrete ZustndeRiesenresonanz Viele Nukleonen beteiligt Anregungen ber Schalen hinweg breite Resonanz (Summe vieler Beitrge)


Verschiedene Arten von RiesenresonanzenElektrische und magnetische DipolschwingungElektrische Monopol- und Quadrupolschwingung


Elektrische RiesenresonanzenIsovektoriellIsoskalarMonopole (GMR)Dipole(GDR)Quadrupole (GQR)Electric giant resonancesIsoskalar:Protonen und Neutronenschwingen in Phase

Isovektoriell:Protonen und Neutronenschwingen inGegenphase


Anregung von Riesenresonanzen Photonenstreuung


S-DALINAC an der TU Darmstadt


Bild des S-DALINAC


Detektoraufbau bei der NRF


NRF Aufbau in Darmstadt


Tagged Photonenee-gEeEg Dnnes Target: nur ein Bremsstrahlungsphoton pro Elektron wird erzeugt Koinzidente Messung von gestreutem Elektron und Photon Energie des gestreuten Elektrons E legt Energie des Photons fest Notwendige Koinzidenz begrenzt Strahlintensitt


Spektrum einer Riesenresonanz in Photoabsorption


GDR in deformierten KernenAufspaltung der GDR in deformierten Kernen durchOszillation in verschiedene Richtungen des intrinsischen Systems. J. A. Maruhn et al., PRC 71, 064328 (2005)


GDR in deformierten KernenJ. A. Maruhn et al., PRC 71, 064328 (2005) Schwingungen entlang einer langen Halbachse haben niedrigere Energie

Je grer die Deformation, desto grer ist die Aufspaltung

Die Strke ist proportional der Anzahl der Halbachsen einer Lnge:

Die Breite (und tatschliche Lage) ist bestimmt durch Einteilchen- zustnde, die zur Resonanz beitragen bzw. an die sie koppelt sowie weitere Effekte


GDR in deformierten Kernen (Beispiel Nd)


Scherenschwingung Scissors ModeBohle et al., NPA 458, 205 (1986)Scherenmode entdeckt an der TUD


Coulombanregung bei relativistischen EnergienHohe Geschwindigkeiten v/c0.6-0.9 Hochfrequente Fourier-KomponentenEg,max 25 MeV (@ 1 GeV/u)b>RP+RTPb Absorption vonvirtuellen Photonenselm ~ Z2Semi-klassische Theorie:dselm / dE = Ng(E) sg(E)Bestimmung der Photonenergie (Anregungsenergie) ber eine kinematisch vollstndige Messung der Impulse aller auslaufen Teilchen (invariant mass)Adiabatischer cut-off:


Experimenteller Aufbau bei GSIAnregungsenergie E* von kinematisch vollstndiger Messung aller auslaufenden Teilchen NeutronenToF, DELANDTracking Br ~ A/QbgGeladene TeilchenPhotonenALADINDipolmagnet mit groer AkzeptanzToF, x, y, zCrystal Ball und TargetBeamProjektil-Tracking~12 mCocktailstrahl


Zwei-Phonon Dipolriesenresonanz in 136Xe und 208Pb- Strahlenergien 600-700 MeV/u auf diverse Targets- bertragung von virtuellenPhotonen (Coulombanregung)Nachweis von zwei Neutronen(+ g-Quanten)g oder ng oder n2 ph1 ph0 phViele Teilchen-Loch-Zustndegg


Zwei-Phonon Dipolriesenresonanz in 208PbVergleich der experimentellen Observablen in 208Pb mit der Erwartung fr einen harmonischen OszillatorNachweis von zwei g-Quanten


Andere SchwingungsmodenPygmyresonanzUnterhalb der Riesenresonanzweitere Resonanz mit kleinererStrke

Vorgeschlagene Erklrung:In neutronenreichen Kernenkann die Neutronenhautgegen den Core schwingenP. Adrich et al., PRL 95 (2005) 132501


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