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Moderne Experimente der Kernphysik

Moderne Experimente der Kernphysik. Wintersemester 2011/12 Vorlesung 17 – 18.01.2012. Kernoszillationen. Oberflächenvibrationen Riesenresonanzen. Kernoszillationen. Bisher haben wir folgendes System betrachtet: Deformierter Kern mit mehreren Valenzprotonen und –neutronen,

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Moderne Experimente der Kernphysik

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  1. Moderne Experimente der Kernphysik Wintersemester 2011/12Vorlesung 17 – 18.01.2012 Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  2. Kernoszillationen • Oberflächenvibrationen • Riesenresonanzen Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  3. Kernoszillationen Bisher haben wir folgendes System betrachtet: Deformierter Kern mit mehreren Valenzprotonen und –neutronen, der eine kollektive Rotationsbewegung ausführt Ein weitere mögliche Anregungsform sind kollektive Oszillationen von Kernen Bei Betrachtung des Kerns als Flüssigkeitstropfen ist klar, dass Kerne Oberflächenschwingungen durchführen können Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  4. Eine Oberflächenschwingung zeigt sich in einer zeitabhängigen Oszillation der Formparameter um die Gleichgewichtsparameter a2m = 0 (sphärischer Kern): Potentielle Energie Hamiltonian für die Oberflächenoszillation: Hier verwenden wir die Koeffizienten a2m als Koordinaten der Bewegung. Kinetische Energie: Wie Feder: Der Parameter C spielt die Rolle der Federkonstante! Der Parameter B spielt die Rolle der Masse! Der 5-dimensionale harmonische Oszillator 1 Wir beschränken uns hier zunächst auf reine Quadrupolschwingungen!! Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  5. Bewegungsgleichung: In jeder Richtung m Das Problem hat fünf Dimensionen: a2-2, a2-1, a20, a21, a22 Der 5-dimensionale harmonische Oszillator 2 Übergang ins Phononenbild: Hamiltonian: nb ist die Anzahl von Phononen |nb ist die Wellenfunktion des nb Phononen Zustandes Der Operator b+b zählt die Anzahl der Phononen Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  6. 2+ |1 b+ Betrachte l=2 : Quadrupol Oszillationen |0 0+ gg-Kern: Energie |0  0+ (Grundzustand) |1  2+ einzige Möglichkeit |2  ????? Quadrupol-Phononen b+ ist der Erzeuger eines Quadrupolphonons mit Drehimpuls 2 Frage: Welche Drehimpulse sind möglich?  M-Schema für Bosonen: Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  7. M-Schema für 2 Phononen Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  8. Multipletts des harmonischen Quadrupol-Oszillators Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  9. Es gilt: N-Phononzustand enthält N identische Phononen, von denen jedes zerfallen kann, die gesamte Übergangsstärke ist also N-mal zu groß wie bei nur einem Phonon! Elektromagnetische Übergänge Der Erzeugungs- und Vernichtungsoperator der Quadrupolphononen ist der elektrische Quadrupoloperator. (Schwingung der Ladungsdichte!) Es wird also Quadrupol-Übergänge (E2) zwischen den Phononenzuständen geben. Auswahlregel: DNph = ±1 Übergänge bei denen mehr als ein Phonon vernichtet oder erzeugt werden, sind in erster Ordnung verboten! • Mögliche Schlussfolgerung: • Übergang vom 2-Phononen Zustand zum 1-Phononen Zustand hat selbe Übergangswahrscheinlichkeit wie der Übergang vom 1-Phononen Zustand zum Grundzustand.(FALSCH!!!) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  10. Reduzierte Übergangsstärke proportional zum Quadrat des Matrixelements B(E2) Übergangsstärke ist proportional zur Phononenzahl Bei mehr als einem möglichen Zerfallsweg gilt dies für die Summe Typische Stärke der Quadrupolübergänge: Übergangswahrscheinlichkeiten 1 E2 Übergang wird durch Vernichtung des Phonons induziert. Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  11. 2+ und 3+ 3-Phonon Zustände können durch mehrere verschiedene Kopplungen der drei Phononendrehimpulse erzeugt werden. Verzweigungsverhältnisse (3ph nach 2ph) 6+ und 0+ 3-Phonon Zustände können nur durch eine spezifische Kopplung der drei Phononendrehimpulse erzeugt werden. Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  12. DN=2 Übergänge sind stark unterdrückt, obwohl sie eigentlich energetisch stark bevorzugt wären nach (Eg)5 |3 |2 |1 |0 Reale Kerne: 118Cd Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  13. Anharmonizitäten Bisher sind wir vom harmonischen Oszillator mit entarteten Energien ausgegangen Es gibt aber auch die Möglichkeit, dass Phononen miteinander wechselwirken. Phonon-Phonon Wechselwirkung Formal führt man Terme höherer Ordnung der Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren ein: Damit können auch anharmonische Anregungsschemata beschrieben werden Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  14. n p g7/2 82 d5/2 h11/2 l+1/2 DL=2 50 d3/2 l-1/2 g9/2 l+1/2 DL=2 s1/2 40 Verschiedene Parität, DL=1, DS=1 p1/2 g7/2 l-1/2 f5/2 d5/2 p3/2 50 28 Mikroskopische Erklärung der Vibration Kohärente Teilchen-Loch Anregung von Valenznukleonen (Fermionen!) zwischen Orbitalen mit DL=2 und DS=0 DS=0, da Quadrupoloperator Y2m nicht auf S wirkt, also muss Spinwellenfunktion in beiden Zuständen gleich sein Cd Isotope Z=48, N66 Theoretische Grundlage: Tamm Dankoff Approximation (TDA) / Random Phase Approximation (RPA) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  15. h11/2 82 d3/2 DL=2 s1/2 l-1/2 g7/2 d5/2 l-1/2 50 Multi-Phonon Zustände und das Pauli Prinzip Annahme: Der 1-Phononen Zustand wird durch zwei Teilchen-Loch Anregungen erzeugt Der 2-Phononen Zustand wird durch duplizieren der ersten Anregung erzeugt Ein 3-Phononen Zustand kann nicht mehr durch die selbe Anregung erzeugt werden, da der d3/2 Zustand nur mit maximal 4 Teilchen (Pauli-Prinzip!) besetzt werden kann. In diesem Beispiel kann ein 3-Phononen Zustand dann nur durch eine andere Anregung erzeugt werden. Dieser 3-Phononen Zustand wird dann auch bei einer anderen Energie liegen  Anharmonizitäten Die Existenz von Multi-Phonon Zuständen in Kernen ist also fundamental an die beteiligten Einteilchenorbitale und das Pauli-Prinzip gebunden. Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  16. B(E3)= 34 W.u. Oktupolschwingung Y30, p=(-1)3=-1 Es gibt mehrere Orbitale unterhalb der Fermienergie bei Z=82, N=126 mit (DL=3, DS=0) Partnern oberhalb der Fermienergie Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  17. Systematik der Oktupolschwingungen leichte Kerne: Abstand von Fermikante zu Orbitalen mit DL=3 i.A. gross, also grosse Anregungsenergie schwere Kerne: Hochspinorbitale auch in der Nähe der Fermikante, also Oktupolvibrationen bei relativ niedrigen Energien möglich Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  18. Quadrupol + Oktupol Phononen Oktupol Phononen Quadrupol Phononen 0+,2+,4+,6+ 1-,2-,3-,4-,5- 0+ 2+ 4+ E2 E3 ( + E1) E3 ( + E1) E2 3- 3- 2+ 2+ E3 E2 E2 0+ 0+ 0+ Kopplung von Phononen Bisher haben wir nur Mehrphononenzustände betrachtet, die von einer Art von Phononen gebildet werden. Man kann aber auch Phononen verschiedenen Ursprungs koppeln. Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  19. Y20 : K=0 Anregung / b-Vibration Y22 : K=2 Anregung / g-Vibration Y20 Y22 0+ 2+ 6+ 4+ 2+ 0+ g.s. Quadrupol-Oszillationen in deformierten Kernen Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  20. Erweitertes Anregungsschema deformierter Kerne Die oszillierende Konfiguration kann natürlich zusätzlich rotieren. Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  21. Erweitertes Anregungsschema deformierter Kerne: 232Th Könnte auch 2-Phonon-g-Bande (Kp = 4+) sein ...???? 2-Phonon- Oktupol-Bande Kp = (0+) ???? g-Bande b-Bande 1-Phonon-Oktupol-Banden Kp = 0- , 1-, 2-, (3- ??) 1-Phonon- Quadrupol-Banden Kp = 0+ , 2+ Th. Kröll, Dissertation (Frankfurt) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  22. Riesenresonanzen Bisher: Oszillationen verursacht durch Teilchen-Loch Anregungen der Valenznukleonen zwischen Zuständen der selben Oszillatorschale. Es gibt aber auch Oszillationen, bei denen alle Nukleonen kohärent an der Oszillation beteiligt sind. Diese Oszillationen nennt man Riesenresonanzen. Quadrupol-Riesenresonanz Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  23. Spektrum Experimentelle Beobachtung: breite Resonanzstruktur z.B. in (g,n)-Reaktionen Riesenresonanz (ungebunden) Diskrete gebundene Zustände Anregungsenergie Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  24. Mikroskopischer Hintergrund • Riesenresonanz • Viele Nukleonen • beteiligt • Anregungen • über Schalen • hinweg • breite Resonanz • (Summe vieler • Beiträge) • Oberflächen- • vibrationen: • Wenige Nukleonen • beteiligt • Anregungen meist • innerhalb • einer Schale • Diskrete Zustände Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  25. p n p,n p n DT=1 DS=0 E1 E0 (DT=0) E0 (DT=1) p p,n n DT=0 DS=1 E2 (DT=1) M1 E2 (DT=0) Verschiedene Arten von Riesenresonanzen Elektrische und magnetische Dipolschwingung Elektrische Monopol- und Quadrupolschwingung Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  26. Elektrische Riesenresonanzen Electric giant resonances Isoskalar Isovektoriell Monopole (GMR) Isoskalar: Protonen und Neutronen schwingen in Phase Isovektoriell: Protonen und Neutronen schwingen in Gegenphase Dipole (GDR) Quadrupole (GQR) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  27. Anregung von Riesenresonanzen – Photonenstreuung Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  28. i 1 1 2 2 Source Electron Source 130 MeV Electron LINAC Photon Experiments 10 MeV Injector: Photon Scattering / Photofission < 30 MeV Tagger: Photodesintegration / Photon Scattering S-DALINAC an der TU Darmstadt Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  29. Bild des S-DALINAC Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  30. Detektoraufbau bei der NRF Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  31. NRF Aufbau in Darmstadt Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  32. “Tagged” Photonen • Dünnes Target: nur ein Bremsstrahlungsphoton pro Elektron wird erzeugt • Koinzidente Messung von gestreutem Elektron und Photon • Energie des gestreuten Elektrons E’ legt Energie des Photons fest • Notwendige Koinzidenz begrenzt Strahlintensität e e- g Ee Eg Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  33. Spektrum einer Riesenresonanz in Photoabsorption Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  34. GDR in deformierten Kernen Aufspaltung der GDR in deformierten Kernen durch Oszillation in verschiedene Richtungen des intrinsischen Systems. J. A. Maruhn et al., PRC 71, 064328 (2005) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  35. GDR in deformierten Kernen • Schwingungen entlang einer • langen Halbachse haben • niedrigere Energie • Je größer die Deformation, • desto größer ist die Aufspaltung • Die Stärke ist proportional der • Anzahl der Halbachsen einer • Länge: • Die Breite (und tatsächliche Lage) • ist bestimmt durch Einteilchen- • zustände, die zur Resonanz • beitragen bzw. an die sie koppelt • sowie weitere Effekte J. A. Maruhn et al., PRC 71, 064328 (2005) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  36. GDR in deformierten Kernen (Beispiel Nd) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  37. Scherenschwingung “Scissors Mode” Scherenmode … entdeckt an der TUD Bohle et al., NPA 458, 205 (1986) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  38. Coulombanregung bei relativistischen Energien Semi-klassische Theorie: dselm/ dE = Ng(E) sg(E) b>RP+RT Absorption von ‘virtuellen Photonen’ Pb selm ~ Z2 Adiabatischer cut-off: Hohe Geschwindigkeiten v/c0.6-0.9  Hochfrequente Fourier-Komponenten Eg,max  25 MeV (@ 1 GeV/u) Bestimmung der ‘Photonenergie’ (Anregungsenergie) über eine kinematisch vollständige Messung der Impulse aller auslaufen Teilchen (“invariant mass”) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  39. Experimenteller Aufbau bei GSI “Cocktailstrahl” ToF, DE Geladene Teilchen LAND Tracking → Br ~ A/Qbg Neutronen ToF, x, y, z ~12 m Photonen Projektil- Tracking ALADIN Dipolmagnet mit großer Akzeptanz Crystal Ball und Target Beam Anregungsenergie E*von kinematisch vollständiger Messung aller auslaufenden Teilchen Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  40. Zwei-Phonon Dipolriesenresonanz in 136Xe und 208Pb - Strahlenergien 600-700 MeV/u auf diverse Targets - Übertragung von virtuellen Photonen (Coulombanregung) Nachweis von zwei Neutronen (+ g-Quanten) 2 ph g oder n 1 ph g g oder n 0 ph g Viele Teilchen-Loch-Zustände Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  41. Zwei-Phonon Dipolriesenresonanz in 208Pb Nachweis von zwei g-Quanten Vergleich der experimentellen Observablen in 208Pb mit der Erwartung für einen harmonischen Oszillator Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

  42. Andere Schwingungsmoden Pygmyresonanz Unterhalb der Riesenresonanz weitere Resonanz mit kleinerer Stärke Vorgeschlagene Erklärung: In neutronenreichen Kernen kann die „Neutronenhaut“ gegen den Core schwingen P. Adrich et al., PRL 95 (2005) 132501 Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 17

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