Moderne Experimente
der Kernphysik
Wintersemester 2011/12
Vorlesung 01 – 19.10.2011
1
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: [email protected]
Sprechstunde: nach Vereinbarung
… email, Anruf, nach der Vorlesung
Vertretung
Dr. Marcus Scheck
Institut für Kernphysik
Schlossgartenstrasse 9
S2 14 / 5. Stock
Tel.: 06151-16-2469
2
email: [email protected]
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: [email protected]
Sprechstunde: nach Vereinbarung
… email, Anruf, nach der Vorlesung
Vertretung
Dr. Marcus Scheck
Institut für Kernphysik
Schlossgartenstrasse 9
S2 14 / 5. Stock
Tel.: 06151-16-2469
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email: [email protected]
Webseite zur Vorlesung
http://www.ikp.tu-darmstadt.de/dasinstitut/gruppen/agkroell/
tk_lehre/ …???
• Termine & wichtige Hinweise
• Unterlagen
• Vorlesungspräsentationen
• Web-Links
…
sowie:
4
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!!!
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Schein
• Regelmäßige Teilnahme an der Vorlesung
• Aktive Teilnahme an den Übungen
• Kurzes Prüfungsgespräch im Anschluß an das Semester
6
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, [email protected])
- 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
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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
11
Themen WS 2011/12 (3)
• 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
12
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
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Spektrum der Kernphysik
Urknall
Galaxien
Supernovae
Quarks &
Leptonen
0  10 26 m
10 20 m
<10 –21 m
10 –15 m
10 16 m
Hadronen
10 9 m
10 –14 m
10 7 m
1m
10 –10 m
10 –8 m
Sonne
AMS für
Klimaforschung
Nuklearmedizin
NMR von
Proteinen
Kerne
Atome in
Fallen
14
Hierarchie der starken Wechselwirkung
Effektive freie
Nukleon-Nukleon
Wechselwirkung
QCD
Quarks
&
Gluonen
(ab-initio Modelle)
?
Protonen
&
Neutronen
?
Effektive
in-medium
Nukleon-Nukleon
Wechselwirkung
Leichte Kerne
Die Natur der effektiven
NN-Wechselwirkung
ist nicht verstanden !!
(A12)
Schwere Kerne
15
Nukleare Weltkarte
Meilenstein der Kernstruktur
Schalenmodell  magische Zahlen
... auch für exotische Kerne???
Protonenabbruchkante
“proton dripline”?
r-Prozess Kerne
Neutronenabbruchkante
“neutron dripline”?
• Grenzen der Existenz weitestgehend unbekannt
• Änderung der Kernstruktur???
• Elementsynthese in Sternen
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Evolution des Kernpotentials - Isospinabhängigkeit
•Wie verändert sich das zentrale Potential durch den Neutronenüberschuss?
•Wie hängt die Spin-Bahn Kopplung vom Isospin ab?
d
VLS  Vcentral
dr
Tal der
Stabilität
V
Spin-Bahn Kopplung
neutronenreiche
Kerne
r
V
r
18
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
19
... aber NICHT die einzige Erklärungsmöglichkeit!!!
„Asymptotische Freiheit“ der Modelle
Warum nicht einfach extrapolieren???
… Modellen mangelt es an Vorhersagekraft!!!
20
Radien exotischer Kerne
Lehrbuchwissen: Kernradius = (1.2 – 1.5 fm) * A1/3
A=19
14
12
10
Z
8
6
4
2
A=11
0
0
5
10
N
15
20
25
I. Tanihata et al.
21
Halo-Kerne und Neutronenhäute
Z=50
Z=30
22
Veränderung der Schalenstruktur 1
Sauerstoff (Z=8)
nicht
gebunden
N=20
N=16
Neue pn-Restwechselwirkung
ermöglicht Existenz von 31F:
1 Proton mehr bindet
weitere 6 Neutronen!!!
gebunden
N=8
8
20
N=14
24O
Neue magische Zahl
N=16
N=20
23
Veränderung der Schalenstruktur 2
Lehrbuchwissen: Kerne mit magischen
Nukleonenzahlen sind sphärisch
B(E2; 2+  0+) [e2fm4]
Deformation
Magische Zahl N=20
ist für neutronenreiche Kerne
verschwunden
150
deformiert
ohne N=20 Schale
N=20
100
50
mit N=20 Schale
0
38
Ar
T. Motobayashi et al.
36
S
34
Si
32
Mg
30
Ne
24
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
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Institute mit radioaktiven Strahlen
Derzeit:
REX-ISOLDE (CERN)
GSI (Deutschland)
ISAC (TRIUMF, Kanada)
Louvain-la-Neuve (Belgien)
…
Zukunft:
FAIR (Deutschland/Europa)
SPIRAL2 (Frankreich/Europa)
RIBF… seit 2007 (RIKEN, Japan)
NSCL/MSU (USA)
GANIL (Frankreich)
HRIB (Oak Ridge, USA)
RIA?? (USA)
EURISOL (Europa)
sowie
SPES (LNL, Italien), EXCYTE (LNS, Italien), ...
26
Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)
SIS 100/200
heute
SIS
UNILAC
FRS
HESR
ESR
Super
FRS
in Darmstadt
CR
100 m
NESR
27
FAIR in Darmstadt
28
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)
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Produktion von radioaktiven Strahlen 1 – Fragmentation
Projektilfragmentation bei relativistischen Energien
Beide Fragmente sind
hochangeregt und dampfen
Neutronen ab
Abb. von T. Glasmacher (NSCL/MSU)
30
100Sn-Experiment
@ FRS (GSI)
Ladung Z 
Teilchenidentifizierung
Masse A 
31
Produktion von radioaktiven Strahlen 2 – ISOL Methode
Produktionstarget
Driver Beschleuniger
Ionenquelle
p, d
Experiment
Nachbeschleuniger (5-10 MeV/A)
Produktionstarget
Reaktor
Massen
Separator
Ionenquelle
n
Experiment
Nachbeschleuniger (5-10 MeV/A)
Massen
Separator
32
REX-ISOLDE @ CERN
33
REX-ISOLDE @ CERN
34
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/
35
REX-ISOLDE @ CERN 3
36
Detektoren und Messmethoden
K+
1.05 GeV p+
37

Vorlesung 1 - Institut für Kernphysik