Ein Hauch von Exotik Experimente mit kurzlebigen Kernen

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

Der hierarchische Aufbau der Materie Quarks < 10 -18 m 0, 000. 001 m Atomkern 10 -14 m Nukleon 10 -15 m Atom 10 -10 m Kristall 10 -9 m DNA 10 -8 m Materie 10 -1 m 0, 000. 1 m 0, 000. 01 m 1 m Sterne, Planeten 108 m Galaxie 1021 m Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 0, 000. 01 m 100. 000 m 1. 000 m Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

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

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

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

Eigenschaften und Struktur von Atomkernen Beispiele: • "Größe" • Form • Masse ("Gewicht") • Zerfall Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

Größe von Atomkernen • Entdeckung von "Riesenkernen" (Halo-Kerne) Beispiel: 11 Li Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS = 9 Li + 2 n Christoph Scheidenberger (GSI)

Form von Atomkernen sphärisch (kugelförmig) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 prolat (zigarrenförmig) Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS oblat (diskusförmig) Christoph Scheidenberger (GSI)

Der radioaktive Zerfall von Atomkernen • a-, b- und g-Strahlung g a b a-Strahlen b-Strahlen Quelle • Neue Zerfallsarten, z. B. 2 -Protonen-Radioaktivität: Entdeckung im Jahr 2002 am 45 Fe mit dem FRS (M. Pfützner et al. , Eur. Phys. J. A 14, 279, 2002) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

Masse von Atomkernen Z Protonen (Ordnungszahl) N Neutronen (Neutronenzahl) A = N + Z (Massenzahl) 6 Protonen + 6 Neutronen 12 C Masse M = 6*mp + 6*mn – B Kohlenstoff-Atomkern B = Bindungsenergie Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

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

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

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

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

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

Wege der Elementsynthese in Sternen a it gn Anzahl der Protonen o s s ze ro r P p- Fe err T a Inc s s roze r-P Pfad der Elementsynthese in Sternexplosionen (Supernova) Anzahl der Neutronen Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

Erzeugung exotischer Kerne am FRS Produktionsraten ~ 105/sek. . . 10 -5/sek (1/Tag) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

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

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

Bestehende Anlage für Fragmentstrahlen • • • Geringe Intensitäten (z. B. 109 238 U /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 Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

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

FRS und Super-FRS im Vergleich FRS 150 m Super-FRS Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

Technische Herausforderung Nr. 1: das Produktionstarget • Ionen deponieren Energie im Produktionstarget – "schlimmster Fall": 1012 Uranionen bei 1 Ge. V/u verlieren etwa 1 k. Wh pro Puls im Target • Unterscheide langsame und schnelle Extraktion: – langsame Extraktion ( ~ 1 Sekunde) 4. 000 Watt = 40 x 100 Watt – schnelle Extraktion (~ 0, 000. 1 Sekunde) 40. 000 Watt = 400 Millionen x 100 Watt = 16 x 2, 5 Giga. Watt Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

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 (1400 o C) zuverlässiger Betrieb seit 1990 sichere Handhabung Gemeinsame Entwicklung von Targetlabor, FRS, FZK, PSI, . . Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

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

Sicherheit für den Menschen: Strahlenschutz Cross section of the target area Cross section of PF 4 Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

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Technische Herausforderung Nr. 2: die Magnete Herausforderung: strahlenresistente supra-leitende Magnete Gemeinsame Entwicklung von Magnetgruppe, FRS, Uni-Gießen, MSU, ANL Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

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, GU 2 5 XH, 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) Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

Die drei Zweige Niederenergie-Zweig Hochenergie-Zweig Speicherring-Zweig Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

NUSTAR Experimente Low Energy Branch HISPEC: High-resolution In-Flight Spectroscopy DESPEC: Decay Spectroscopy with Implanted Ion Beams MATS: Precision Measurements of very short-lived Nuclei using an Advanced Trapping System for highly-charged Ions LASPEC: Laser Spectroscopy for the Study of Nuclear Properties NCAP: Neutron Capture Measurements exo+pbar: Antiprotonic Radioactive Nuclides C. Scheidenberger Z. Podolyak B. Rubio (GSI) (Univ. Surrey) (CSIC Valencia) K. Blaum C. Campbell M. Heil M. Wada (Univ. Mainz) (Univ. Manchester) (FZ-Karlsruhe) (RIKEN) High Energy Branch R 3 B: A Universal Setup for Kinematical Complete Measurements of Reactions with Relativistic Radioactive Beams T. Aumann Ring Branch ILIMA: Study of Isomeric Beams, Lifetimes and Masses EXL: Exotic Nuclei Studied in Light-Ion Induced Reactions at the NESR Storage Ring ELISE: Electron-Ion Scattering in a Storage Ring (e-A Collider) pbar. A: Antiproton-Ion Collider: Measurement of Neutron and Proton rms radii of Stable and Radioactive Nuclei Pionic: Spectroscopy of Pionic Atoms with Unstable Nuclei (GSI) Y. Novikov (NPI St. Petersburg) M. Chartier H. Simon (Univ. Liverpool) (GSI) R. Krücken K. Itahashi (TU München) (RIKEN) 753 Benutzer Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

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

Experimente am Niederenergiezweig (II) „Vollständige“ Zerfallsspektroskopie: * a, b, g -Zerfälle * Konversions-Elektronen * b-verzögerte Neutronen * Höchste Selektivität und Empfindlichdurch Separation im Flug und eindeutige Identifikation von A und Z * Spektroskopie an einzelnen Ionen T 1/2 (100 Sn) = (0, 94 +0, 54) s -0, 27 Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

Experimente am Hochenergiezweig Aufbruch von 20 O in verschiedene Reaktionskanäle • • Cocktail Strahl vom Large-area neutron detector LAND FRS Gegenwärtiges Programm: • Halo-Kerne • Ungebundene Systeme (5 H, 10 Li, . . . ) • Spektroskopische Faktoren • Riesenresonanzen in exotischen Kernen Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

Experimente mit gespeicherten Strahlen Targets: Inverse Kinematik: - H, D, He Form-Faktoren aus kleinen Winkeln im SP-System Reaktionen: - Elastische Streuung - Inelastische Streuung - Ladungsaustausch - Transfer - Quasifreie Streuung Niederenergetische Rückstoßionen mit kleinem Impuls Observable: - Materieradien, Deformationen - Spin-Isospin Anregungen - Riesen (Monopol) Resonanzen - GT Stärken - Einteilchen Zustände Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

Experimente mit gespeicherten Strahlen Gebundener beta-Zerfall: * Neue Zerfallsart * Isotopenreine Separation von nacktem 207 Tl 81+ * Stochastische und Elektronenkühlung 207 Tl 81+ 207 Pb 81+ 207 m. Tl 81+ Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

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

Gebäude Stufenweiser Aufbau von FAIR Stufe 1: 2007 - 2010 • 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 U 28+ at 200 AMe. V 4 x 1010/puls U 73+ at 1000 AMe. V 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 Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)

. . . ein Hauch von Exotik am Super-FRS Wixhausen im Jahr 2010 . . . hallo HKR ? . . . wir brauchen mehr Strahl ! Wissenschaft für Alle, 11. Mai 2005 Ein Hauch von Exotik: Experimente mit kurzlebigen Kernen am Super-FRS Christoph Scheidenberger (GSI)