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Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Christoph Scheidenberger (GSI) 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

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Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik:Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

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

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Der hierarchische Aufbau der Materie

Materie10-1 m

Kristall10-9 m

Atom10-10 m

Atomkern10-14 mNukleon

10-15 m

DNA10-8 m

Quarks < 10-18 m

Galaxie1021 m

1.000.000.000.000.000.000.000 m

1 m

0,000.000.01 m

0,000.000.000.1 m

0,000.000.000.000.01 m

0,000.000.000.000.000.001 m

100.000.000 mSterne, Planeten108 m

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Die Ordnung der chemischen Elemente

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Struktur der Materie

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Die Nuklidkarte – Ordnung der Atomkerne

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Eigenschaften und Struktur von Atomkernen

Beispiele:

• "Größe"

• Form

• Masse ("Gewicht")

• Zerfall

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Größe von Atomkernen

• Entdeckung von "Riesenkernen" (Halo-Kerne)

2.0 2.5 3.0 3.5 fm

Beispiel:

11Li = 9Li + 2n

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Form von Atomkernen

sphärisch prolat oblat(kugelförmig) (zigarrenförmig) (diskusförmig)

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Der radioaktive Zerfall von Atomkernen

• -, - und -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)

Quelle

-Strahlen-Strahlen

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Masse von Atomkernen

Z Protonen (Ordnungszahl)

N Neutronen (Neutronenzahl)

A = N + Z (Massenzahl)

12C Kohlenstoff-Atomkern

Masse M = 6*mp + 6*mn – B

B = Bindungsenergie

6 Protonen + 6 Neutronen

Masse M = 6*mp + 6*mn

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Pionierarbeiten der Massenspektrometrie: Entdeckung der Isotope

Untersuchung von Kathodenstrahlen durchSir J. J. Thompson:

• Entdeckung der Isotope (1913):"Elemente besitzen unterschiedlich schwere Atomkerne"

• Verwendung von Parabel-Spektrographen

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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

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Massenmessung exotischer Kerne mit FRS-ESR

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Einblick in die Kernstruktur

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Nukleare Astrophysik

Neutroneneinfang

Fe

Massenzahl A

ufig

keit

Rote Riesen: Neutroneneinfang während He-Brennen Fe...Bi

Novae, Röntgen-Burster: explosives H-Brennen, rp-Prozess

Supernovae: r- und p-Prozess, Fe...Actiniden

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Wege der Elementsynthese in Sternen

Anzahl der Neutronen

Anz

ahl d

er P

roto

nen Terra

Incognita

Terra In

cognita

Terra In

cognita

Fe Pfad der Elementsynthese inSternexplosionen (Supernova)

r-Prozessrp

-Pro

zess

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Erzeugung exotischer Kerne am FRS

Produktionsraten ~ 105/sek ..... 10-5/sek (1/Tag)

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Experimente mit exotischen Strahlen am Fragmentseparator FRS

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Erfolgreiche Experimente

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Bestehende Anlage für Fragmentstrahlen

S IS F R S E S R

ALADIN

LAND

INJECTION FROM UNILAC

PROD UCTION TARG ET

12

3 FRS Branches

• Geringe Intensitäten (z.B. 109 238U /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

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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

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FRS und Super-FRS im Vergleich

FRS

Super-FRS

150m

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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

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Lösung: rotierendes Graphit-Target

Beispiel: Target des Paul-Scherrer Instituts (Villingen, Schweiz)

Material: GraphitDicke: ~ 5 cmDurchmesser ~ 30 cmRotation 60 U/minStrahlungsgekühlt (1400o C)

zuverlässiger Betrieb seit 1990 sichere Handhabung

Gemeinsame Entwicklung von Targetlabor, FRS, FZK, PSI,....

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Planungen für Target und Targetbereich

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Sicherheit für den Menschen: Strahlenschutz

Cross section of the target area

Cross section of PF4

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Technische Herausforderung Nr. 2: die Magnete

Maximal flux density T 1.6 Minimal flux density T 0.1 Angle of deflection deg 11 Radius of deflection m 12.5 Effective length m 2.4 Entrance/exit boundary angle Deg 0 v Entrance/exit boundary curvature

1/m 0

Vertical aperture m 0.07 Horizontal aperture m 0.19 Magnet air gap m 0.085 Field quality in aperture 310-4

Herausforderung: strahlenresistente supra-leitende Magnete

Gemeinsame Entwicklung von Magnetgruppe, FRS, Uni-Gießen, MSU, ANL

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GSI Darmstadt, D-64291 Darmstadt, GermanyJustus-Liebig Universität Gießen, D-35390 Gießen, Germany Institute of Analytical Instrumentation, RAS, 198103 St. Petersburg, RussiaMichigan State University, East Lansing, MI 48824, USAArgonne National Laboratory, Argonne, IL 60439, USASt. Petersburg State Technical University, 195251 St. Petersburg, RussiaJohannes Gutenberg Universität, D-55099 Mainz, GermanyTechnische Universität Dresden, D-01062, GermanyPhilipps Universität Marburg, D-35032, GermanyFachhochschule Mainz, D-55099 Mainz, GermanyBabcock Noell Nuclear, D-97080 Würzburg, Germany Technische Universität Darmstadt, D-64289 Darmstadt, Germany Forschungszentrum Karlsruhe, D-76344 Eggenstein-Leopoldshafen, GermanyRiken, 2-1 Hirosawa, Wako, Saitama 351-0198, JapanCAE, Saclay, F-91191 Gif-sur Yvette, FranceUniversity of Surrey, Guildford, GU2 5XH, UKUniveridade de Santiago de Compostela, E-15706 Santiago de Compostela, SpainTechnische Universität München, D-85748 Garching, GermanyComenius University Bratislava, Sk-84248 Bratislava, Slovakia

Sprecher: Hans Geissel (GSI und Univ. Gießen) Martin Winkler (GSI und Univ. Gießen)

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Die drei Zweige

Hochenergie-Zweig

Speicherring-Zweig

Niederenergie-Zweig

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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 BranchR3B: A Universal Setup for Kinematical Complete Measurements of

Reactions with Relativistic Radioactive Beams T. Aumann (GSI)

Ring BranchILIMA: 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

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Experimente am Niederenergiezweig (I)

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Experimente am Niederenergiezweig (II)

„Vollständige“ Zerfallsspektroskopie: * -Zerfälle* Konversions-Elektronen* -verzögerte Neutronen

* Höchste Selektivität und Empfindlich- durch Separation im Flug und ein- deutige Identifikation von A und Z

* Spektroskopie an einzelnen Ionen

T1/2 (100Sn) = (0,94 +0,54) s -0,27

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Experimente am Hochenergiezweig

Cocktail Strahl vom

FRS

Aufbruch von 20O in verschie- dene Reaktionskanäle

Gegenwärtiges Programm:

• Halo-Kerne

• Ungebundene Systeme (5H,10Li,...)

• Spektroskopische Faktoren

• Riesenresonanzen in exotischen Kernen

• Large-area neutron

• detector LAND

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Experimente mit gespeicherten Strahlen

Inverse Kinematik:

Form-Faktoren aus kleinen Winkeln im SP-System

Niederenergetische Rückstoßionen mit kleinem Impuls

10 cm

G as jet

H eavy ions

Neutrons /Charged E jectiles

U H V

S cin tillato r

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

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Experimente mit gespeicherten Strahlen

207Pb81+

207mTl81+

207Tl81+

Gebundener beta-Zerfall:

* Neue Zerfallsart

* Isotopenreine Separation von nacktem 207Tl81+

* Stochastische und Elektronenkühlung

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Die NUSTAR Kollaboration

• 753 Mitglieder aus 32 LändernArgentina, 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

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Stufenweiser Aufbau von FAIRGebäude• 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

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.....ein Hauch von Exotik am Super-FRS

Wixhausen im Jahr 2010

...hallo HKR ?

...wir brauchen mehr Strahl !