Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

1. Ein Hauch von Exotik:Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS • Einführung • Wissenschaftliche Zielsetzungen der NUSTAR Kollaboration: • NUclear STructure • Nuclear Astrophysics • Reactions • Der Super-FRS • Geplante Experimente am Super-FRS Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

2. Der hierarchische Aufbau der Materie Quarks < 10-18 m 0,000.000.000.000.000.001 m Atomkern 10-14 m Nukleon 10-15 m 0,000.000.000.000.01 m Atom 10-10 m 0,000.000.000.1 m Kristall 10-9 m 0,000.000.01 m DNA 10-8 m Materie 10-1 m 1 m Sterne, Planeten 108 m 100.000.000 m Galaxie 1021 m 1.000.000.000.000.000.000.000 m Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

3. Die Ordnung der chemischen Elemente Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

4. Struktur der Materie Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

5. Die Nuklidkarte – Ordnung der Atomkerne Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

6. Eigenschaften und Struktur von Atomkernen Beispiele: • "Größe" • Form • Masse ("Gewicht") • Zerfall Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

7. Größe von Atomkernen • Entdeckung von "Riesenkernen" (Halo-Kerne) Beispiel: 11Li = 9Li + 2n Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

8. Form von Atomkernen sphärisch prolat oblat (kugelförmig) (zigarrenförmig) (diskusförmig) Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

9. Der radioaktive Zerfall von Atomkernen g a b Quelle • a-, b- und g-Strahlung • Neue Zerfallsarten, z. B. 2-Protonen-Radioaktivität: Entdeckung im Jahr 2002 am 45Fe mit dem FRS(M. Pfützner et al., Eur. Phys. J. A14, 279, 2002) a-Strahlen b-Strahlen Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

10. Masse von Atomkernen Z Protonen (Ordnungszahl) N Neutronen (Neutronenzahl) A = N + Z (Massenzahl) 6 Protonen + 6 Neutronen Masse M = 6*mp + 6*mn 12C Kohlenstoff-Atomkern Masse M = 6*mp + 6*mn – B B = Bindungsenergie Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

11. Pionierarbeiten der Massenspektrometrie: Entdeckung der Isotope • Untersuchung von Kathodenstrahlen durch • Sir J. J. Thompson: • Entdeckung der Isotope (1913): • "Elemente besitzen unterschiedlich schwere • Atomkerne" • Verwendung von Parabel-Spektrographen Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

12. Erste Strukturuntersuchungen an Atomen und Kernen Hochauflösende Massenspektrographen von Sir F. W. Aston: • Entdeckung von 212 der 287 natürlich vorkommenden Isotope (1925-1935): • Entdeckung von Abweichungen der Atomgewichte von ganzen Zahlen • Erstes Kernmodell durch H.A.Bethe und C.F.v.Weizsäcker Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

13. Massenmessung exotischer Kerne mit FRS-ESR Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

14. Einblick in die Kernstruktur Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

15. Nukleare Astrophysik Neutroneneinfang Häufigkeit Fe Massenzahl A Rote Riesen: Neutroneneinfang während He-Brennen  Fe...Bi Novae, Röntgen-Burster: explosives H-Brennen, rp-Prozess Supernovae: r- und p-Prozess,  Fe...Actiniden Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

16. Wege der Elementsynthese in Sternen rp-Prozess r-Prozess Pfad der Elementsynthese in Sternexplosionen (Supernova) Terra Incognita Terra Incognita Terra Incognita Anzahl der Protonen Fe Anzahl der Neutronen Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

17. Erzeugung exotischer Kerne am FRS Produktionsraten ~ 105/sek ..... 10-5/sek (1/Tag) Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

18. Experimente mit exotischen Strahlen am Fragmentseparator FRS Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

19. Erfolgreiche Experimente Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

20. Bestehende Anlage für Fragmentstrahlen • Geringe Intensitäten (z.B. 109238U /s) • Geringe Transmission für Spaltfragmente (4-10%) • Geringe Transmission zum ESR und zu ALADIN/LAND • Wenig Platz für komplexe Experimentaufbauten • Magnete der Strahlführung nicht für Sekundärstrahlen optimiert Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

21. Was wird besser? Was ist neu? 1) 100 bis 1000 mal höhere Primärstrahlintensität 2) Bis zu 10-fach höhere Transmission 3) Direkte Kopplung an dedizierte Experimentieranlagen Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

22. FRS und Super-FRS im Vergleich FRS 150m Super-FRS Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

23. Technische Herausforderung Nr. 1: das Produktionstarget • Ionen deponieren Energie im Produktionstarget • "schlimmster Fall": 1012 Uranionen bei 1GeV/u verlieren etwa 1kWh pro Puls im Target • Unterscheide langsame und schnelle Extraktion: • langsame Extraktion ( ~ 1 Sekunde) 4.000 Watt = 40 x 100 Watt • schnelle Extraktion (~ 0,000.000.1 Sekunde) 40.000.000.000 Watt = 400 Millionen x 100 Watt = 16 x 2,5 GigaWatt Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

24. Lösung: rotierendes Graphit-Target Beispiel: Target des Paul-Scherrer Instituts (Villingen, Schweiz) Material: Graphit Dicke: ~ 5 cm Durchmesser ~ 30 cm Rotation 60 U/min Strahlungsgekühlt (1400o C)  zuverlässiger Betrieb seit 1990  sichere Handhabung Gemeinsame Entwicklung von Targetlabor, FRS, FZK, PSI,.... Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

25. Planungen für Target und Targetbereich Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

26. Sicherheit für den Menschen: Strahlenschutz Cross section of the target area Cross section of PF4 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

27. Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

28. Technische Herausforderung Nr. 2: die Magnete Herausforderung: strahlenresistente supra-leitende Magnete Gemeinsame Entwicklung von Magnetgruppe, FRS, Uni-Gießen, MSU, ANL Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

29. GSI Darmstadt, D-64291 Darmstadt, Germany Justus-Liebig Universität Gießen, D-35390 Gießen, Germany Institute of Analytical Instrumentation, RAS, 198103 St. Petersburg, Russia Michigan State University, East Lansing, MI 48824, USA Argonne National Laboratory, Argonne, IL 60439, USA St. Petersburg State Technical University, 195251 St. Petersburg, Russia Johannes Gutenberg Universität, D-55099 Mainz, Germany Technische Universität Dresden, D-01062, Germany Philipps Universität Marburg, D-35032, Germany Fachhochschule Mainz, D-55099 Mainz, Germany Babcock Noell Nuclear, D-97080 Würzburg, Germany Technische Universität Darmstadt, D-64289 Darmstadt, Germany Forschungszentrum Karlsruhe, D-76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Germany Riken, 2-1 Hirosawa, Wako, Saitama 351-0198, Japan CAE, Saclay, F-91191 Gif-sur Yvette, France University of Surrey, Guildford, GU2 5XH, UK Univeridade de Santiago de Compostela, E-15706 Santiago de Compostela, Spain Technische Universität München, D-85748 Garching, Germany Comenius University Bratislava, Sk-84248 Bratislava, Slovakia Sprecher:Hans Geissel (GSI und Univ. Gießen) Martin Winkler(GSI und Univ. Gießen) Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

30. Die drei Zweige Niederenergie-Zweig Hochenergie-Zweig Speicherring-Zweig Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

31. NUSTAR Experimente Low Energy Branch C. Scheidenberger (GSI) HISPEC: High-resolution In-Flight Spectroscopy Z. Podolyak (Univ. Surrey) DESPEC: Decay Spectroscopy with Implanted Ion Beams B. Rubio (CSIC Valencia) MATS: Precision Measurements of very short-lived Nuclei using an Advanced Trapping System for highly-charged Ions K. Blaum (Univ. Mainz) LASPEC: Laser Spectroscopy for the Study of Nuclear Properties C. Campbell (Univ. Manchester) NCAP: Neutron Capture Measurements M. Heil (FZ-Karlsruhe) exo+pbar: Antiprotonic Radioactive Nuclides M. Wada (RIKEN) High Energy Branch R3B: A Universal Setup for Kinematical Complete Measurements of Reactions with Relativistic Radioactive Beams T. Aumann (GSI) Ring Branch ILIMA: Study of Isomeric Beams, Lifetimes and Masses Y. Novikov (NPI St. Petersburg) EXL: Exotic Nuclei Studied in Light-Ion Induced Reactions at the NESR Storage Ring M. Chartier (Univ. Liverpool) ELISE: Electron-Ion Scattering in a Storage Ring (e-A Collider) H. Simon (GSI) pbarA: Antiproton-Ion Collider: Measurement of Neutron and Proton rms radii of Stable and Radioactive Nuclei R. Krücken (TU München) Pionic: Spectroscopy of Pionic Atoms with Unstable Nuclei K. Itahashi (RIKEN) 753 Benutzer Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

32. Experimente am Niederenergiezweig (I) Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

33. Experimente am Niederenergiezweig (II) T1/2 (100Sn) = (0,94 +0,54) s -0,27 „Vollständige“ Zerfallsspektroskopie: * a, b, g-Zerfälle * Konversions-Elektronen * b-verzögerte Neutronen * Höchste Selektivität und Empfindlich- durch Separation im Flug und ein- deutige Identifikation von A und Z * Spektroskopie an einzelnen Ionen Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

34. Experimente am Hochenergiezweig Aufbruch von 20O in verschie- dene Reaktionskanäle • Large-area neutron • detector LAND Cocktail Strahl vom FRS • Gegenwärtiges Programm: • Halo-Kerne • Ungebundene Systeme (5H,10Li,...) • Spektroskopische Faktoren • Riesenresonanzen in exotischen Kernen Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

35. Experimente mit gespeicherten Strahlen Targets: - H, D, He Reaktionen: - Elastische Streuung - Inelastische Streuung - Ladungsaustausch - Transfer - Quasifreie Streuung Observable: - Materieradien, Deformationen - Spin-Isospin Anregungen - Riesen (Monopol) Resonanzen - GT Stärken - Einteilchen Zustände Inverse Kinematik: Form-Faktoren aus kleinen Winkeln im SP-System Niederenergetische Rückstoßionen mit kleinem Impuls Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

36. Experimente mit gespeicherten Strahlen Gebundener beta-Zerfall: * Neue Zerfallsart * Isotopenreine Separation von nacktem 207Tl81+ * Stochastische und Elektronenkühlung 207Tl81+ 207Pb81+ 207mTl81+ Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

37. Die NUSTAR Kollaboration • 753 Mitglieder aus 32 Ländern Argentina, Australia, Austria, Belgium, Brasilia, Canada, China, Denmark, Finland, France, Germany, Greece, Hungary, India, Israel, Italy, Japan, Norway, Poland, Portugal, Romania, Russia, Slovakia, Spain, Sweden, Switzerland, The Netherlands, Turkey, USA, Ukraine, United Kingdom, Vietnam • 12 Experimentvorschläge Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

38. Stufenweiser Aufbau von FAIR • Gebäude • Ringtunnel für Doppelring-Synchrotron einschl. technischer Gebäude • Gebäude für Super-FRS, Collector Ring und NESR sowie für Experimente von Kernstruktur- und Atomphysik • Bürogebäude • Beschleuniger • 2 x 1011/puls U28+ at 200 AMeV • 4 x 1010/puls U73+ at 1000 AMeV • 4 Hz bis 12 Tm; 1 Hz bis 18 Tm • Bunch Kompressionauf ~70 ns • Forschung • Kernstruktur und nukleare Astrophysik (Gewinnfaktor in Intensität für Sekundärstrahlen ~100) • Plasmaphysik an der bestehenden Anlage (Gewinnfaktor ~200) • Atomphysik mit hochgeladenen und radioaktiven Strahlen Stufe 1: 2007 - 2010 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS

39. .....ein Hauch von Exotik am Super-FRS Wixhausen im Jahr 2010 ...hallo HKR ? ...wir brauchen mehr Strahl ! Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS