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Moderne Experimente der Kernphysik

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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

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Presentation Transcript
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Moderne Experimente

der Kernphysik

Wintersemester 2011/12Vorlesung 01 – 19.10.2011

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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

S2 14 / 5. Stock

Tel.: 06151-16-2469

email: [email protected]

Institut für Kernphysik

Schlossgartenstrasse 9

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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

S2 14 / 5. Stock

Tel.: 06151-16-2469

email: [email protected]

Institut für Kernphysik

Schlossgartenstrasse 9

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Webseite zur Vorlesung

http://www.ikp.tu-darmstadt.de/dasinstitut/gruppen/agkroell/

tk_lehre/ …???

  • Termine & wichtige Hinweise
  • Unterlagen
  • Vorlesungspräsentationen
  • Web-Links

sowie:

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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
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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
themen der vorlesung
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
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
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

themen ws 2011 12 2
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
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
themen ws 2011 12 4
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

Galaxien

Quarks &

Leptonen

Supernovae

0  10 26 m

<10 –21 m

10 20 m

10 –15 m

Hadronen

10 16 m

10 9 m

10 –14 m

10 7 m

1m

10 –10 m

10 –8 m

Sonne

AMS für

Klima-

forschung

NMR von

Proteinen

Kerne

Nuklear-

medizin

Atome in

Fallen

Spektrum der Kernphysik

Kernphysik

hierarchie der starken wechselwirkung

Effektive freie

Nukleon-Nukleon

Wechselwirkung

(ab-initio Modelle)

QCD

Quarks

&

Gluonen

?

Effektive

in-medium

Nukleon-Nukleon

Wechselwirkung

Protonen

&

Neutronen

?

Leichte Kerne

(A12)

Schwere Kerne

Hierarchie der starken Wechselwirkung

Die Natur der effektiven

NN-Wechselwirkung

ist nicht verstanden !!

nukleare weltkarte

Protonenabbruchkante

“proton dripline”?

Neutronenabbruchkante

“neutron dripline”?

Nukleare Weltkarte

Meilenstein der Kernstruktur

Schalenmodell è magische Zahlen

... auch für exotische Kerne???

r-Prozess Kerne

  • Grenzen der Existenz weitestgehend unbekannt
  • Änderung der Kernstruktur???
  • Elementsynthese in Sternen
evolution des kernpotentials isospinabh ngigkeit

V

r

V

r

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

woher kommen die chem elemente im universum

Veränderte

Schalenstruktur

„normale“

Schalenstruktur

Woher kommen die chem. Elemente im Universum?

Elementsynthese in Supernovae:

r-Prozess und Schalenstruktur

Pfeiffer et al.

Z. Phys. A357 (97) 235

... aber NICHT die einzige Erklärungsmöglichkeit!!!

asymptotische freiheit der modelle
„Asymptotische Freiheit“ der Modelle

Warum nicht einfach extrapolieren???

… Modellen mangelt es an Vorhersagekraft!!!

radien exotischer kerne

14

A=19

12

10

8

Z

6

4

2

A=11

0

0

5

10

15

20

25

N

I. Tanihata et al.

Radien exotischer Kerne

Lehrbuchwissen: Kernradius = (1.2 – 1.5 fm) * A1/3

ver nderung der schalenstruktur 1

Neue pn-Restwechselwirkung

ermöglicht Existenz von 31F:

1 Proton mehr bindet

weitere 6 Neutronen!!!

24O

Neue magische Zahl

N=16

N=20

Veränderung der Schalenstruktur 1

Sauerstoff (Z=8)

nicht

gebunden

gebunden

N=20

N=16

N=8

8

20

N=14

ver nderung der schalenstruktur 2

150

ohne N=20 Schale

N=20

100

B(E2; 2+ 0+) [e2fm4]

50

mit N=20 Schale

0

30

32

38

36

34

Ar S Si Mg Ne

T. Motobayashi et al.

Veränderung der Schalenstruktur 2

Lehrbuchwissen: Kerne mit magischen

Nukleonenzahlen sind sphärisch

Magische Zahl N=20

ist für neutronenreiche Kerne

verschwunden

deformiert

Deformation

wie produziert und misst man radioaktive kerne
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
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

SIS 100/200

SIS

FRS

HESR

UNILAC

ESR

Super

FRS

CR

100 m

NESR

Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)

heute

in Darmstadt

production radioactiver strahlen
ProductionradioactiverStrahlen

Methoden – Ueberblick:

  • Super Novae Typ II
  • Fragmentation imFlug (MSU, GSI -> FAIR)
  • Isotope online separation (ISOL)-Technik (ISOLDE, TRIUMPH)
  • Spaltquellez.B. 252Cf (CARIBU @ Argonne National Lab)
  • - Fusions-Verdampfungsreaktionen (z.B. JYFL)
produktion von radioaktiven strahlen 1 fragmentation
Produktion von radioaktiven Strahlen 1 – Fragmentation

Projektilfragmentation bei relativistischen Energien

Beide Fragmente sind hochangeregt und dampfen Neutronen ab

Abb. von T. Glasmacher (NSCL/MSU)

100 sn experiment @ frs gsi
100Sn-Experiment @ FRS (GSI)

Teilchenidentifizierung

Ladung Z è

Masse A è

produktion von radioaktiven strahlen 2 isol methode
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

Produktions-

target

Reaktor

n

Massen

Separator

Experiment

Nachbeschleuniger (5-10 MeV/A)

rex isolde @ cern 2
REX-ISOLDE @ CERN 2

“Ladungsbrüten” A/q ~ 4

REX-Trap

Miniball

RIB

IHS

RFQ

9 Gap

3x 7Gap

EBIS

charge-breeder

Courtesy: http://isolde.web.cern.ch/ISOLDE/

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