Moderne Experimente
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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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Moderne Experimente der Kernphysik

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Presentation Transcript


Moderne experimente der kernphysik

Moderne Experimente

der Kernphysik

Wintersemester 2011/12Vorlesung 01 – 19.10.2011


Moderne experimente der kernphysik

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


Moderne experimente der kernphysik

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


Moderne experimente der kernphysik

Webseite zur Vorlesung

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

tk_lehre/ …???

  • Termine & wichtige Hinweise

  • Unterlagen

  • Vorlesungspräsentationen

  • Web-Links

sowie:


Moderne experimente der kernphysik

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!!!


Moderne experimente der kernphysik

Schein

  • Regelmäßige Teilnahme an der Vorlesung

  • Aktive Teilnahme an den Übungen

  • Kurzes Prüfungsgespräch im Anschluß an das Semester


Moderne experimente der kernphysik

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


Halo kerne und neutronenh ute

Halo-Kerne und Neutronenhäute

Z=50

Z=30


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


Fair in darmstadt

FAIR 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

REX-ISOLDE @ CERN


Rex isolde @ cern1

REX-ISOLDE @ CERN


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/


Rex isolde @ cern 3

REX-ISOLDE @ CERN 3


Detektoren und messmethoden

K+

1.05 GeV p+

Detektoren und Messmethoden


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