Moderne Experimente der Kernphysik

1. Moderne Experimente der Kernphysik Wintersemester 2011/12Vorlesung 01 – 19.10.2011

2. 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: tkroell@ikp.tu-darmstadt.de Sprechstunde: nach Vereinbarung … email, Anruf, nach der Vorlesung Vertretung Dr. Marcus Scheck S2 14 / 5. Stock Tel.: 06151-16-2469 email: mscheck@ikp.tu-darmstadt.de Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9

3. 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: tkroell@ikp.tu-darmstadt.de Sprechstunde: nach Vereinbarung … email, Anruf, nach der Vorlesung Vertretung Dr. Marcus Scheck S2 14 / 5. Stock Tel.: 06151-16-2469 email: mscheck@ikp.tu-darmstadt.de Institut für Kernphysik Schlossgartenstrasse 9

4. Webseite zur Vorlesung http://www.ikp.tu-darmstadt.de/dasinstitut/gruppen/agkroell/ tk_lehre/ …??? • Termine & wichtige Hinweise • Unterlagen • Vorlesungspräsentationen • Web-Links • … sowie:

5. 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!!!

6. Schein • Regelmäßige Teilnahme an der Vorlesung • Aktive Teilnahme an den Übungen • Kurzes Prüfungsgespräch im Anschluß an das Semester

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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(p,L)-Werte),… - Gamma-Detektoren • Coulombanregung - Theorie und praktische Beispiele - Bestimmung von B(E2)-Werten - Teilchendetektoren:: PPAC und Si-Detektoren

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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 !!

16. 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

17. 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

18. 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!!!

19. „Asymptotische Freiheit“ der Modelle Warum nicht einfach extrapolieren??? … Modellen mangelt es an Vorhersagekraft!!!

20. 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

21. Halo-Kerne und Neutronenhäute Z=50 Z=30

22. 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

23. 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

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

25. 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), ...

26. SIS 100/200 SIS FRS HESR UNILAC ESR Super FRS CR 100 m NESR Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) heute in Darmstadt

27. FAIR in Darmstadt

28. 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)

29. 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) Teilchenidentifizierung Ladung Z è Masse A è

31. 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)

32. REX-ISOLDE @ CERN

33. REX-ISOLDE @ CERN

34. 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/

35. REX-ISOLDE @ CERN 3

36. K+ 1.05 GeV p+ Detektoren und Messmethoden