Kerne und Teilchen. Aufbau der Kerne (3) Moderne Experimentalphysik III Vorlesung 19.

Transkript

1 Krn und Tilchn Modrn Exprimntalphysik III Vorlsung 19 MICHAEL FEINDT & THOMAS KUHR INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK Aufbau dr Krn (3) KIT Univrsität ds Lands Badn-Württmbrg und nationals Forschungszntrum in dr Hlmholtz-Gminschaft

2 Mssung dr Nutrinomass Kuri - Plot K ( E ) F ( Z ', dn ( E Atomar Zuständ müssn shr gut vrstandn sin. Optimal: 3 H H E 0 nur 18,6 kv 3 Bishr: kin Abwichung von Null gmssn. (lang Zit: m ν 2 < 0, mhrr Std.-Abwichungn. War systmatischr Obrflächnffkt.) Jtzigs Limit: m ν < 2 V E ) E ) de E 2 m 2 c 4 rwart Grad schnidt E Achs bi Maximalnrgi (für m ν = 0) Bi ndlichn m ν wicht das Spktrum am Endpunkt davon ab. E 0 aus Extrapolation dr Grad bstimmbar. Qull: Povh, Tilchn und Krn z.z. im Bau: KATRIN Spktromtr am Forschungszntrum Karlsruh Snsitivität bis hinuntr zu 0.2 V

3 Kollktiv Krnanrgungn Drhimpuls Entwicklung von lktromagntischn Übrgängn: (di U(1) Eichinvarianz brücksichtign: Photon immr transvrsal polarisirt.) E1: lktrischr Dipolübrgang : Parität ändrt sich ΔJ 1 ; E γ M1: magntischr Dipolübrgang : Parität blibt glich ΔJ 1 ; E γ 3 E2: lktrischr Quadrupolübrgang : Parität blibt glich ΔJ 2 ; E γ 3 dominant 2. Ordnung

4 Qull: Povh, Tilchn und Krn Di Dipol Risnrsonanz nuklarr Photoffkt: A X (γ,n) A-1 X Anrgungsnrgi 2 Schalnabstand 142 Nd : 1 schmal Rsonanz schwrr Isotop: Aufspaltung in 2 Rsonanzn intgr. WQ Summ allr Eintilchn WQs dr äußrstn Schal Erklärung: kollktiv Schwingung allr Protonn ggn all Nutronn zigarrnförmig dformirt Für dformirt Krn: untrschidlich "Rsonanzfrqunzn" ntlang dr großn und dr klinn Hauptachs Aufspaltung in 2 Rsonanzn kuglsymmtrisch

5 Witr Krnanrgungn typisch Anrgungsnrgin: 0.5 inig MV Rotationn: Formschwingungn: bi großn Dformationn Quadrupol - Oktupol - Vibrationn Qull: Povh, Tilchn und Krn

6 Rotationszuständ 2 E J J ( J 1) E E E 2( J 1) J 1 J 2 Träghitsmomnt 2 ΔE nimmt linar mit J zu: äquidistant Rotations Übrgangs Linin nur nährungswis dr Fall θ nimmt mit stigndm J zu! 2 starr Kugl 2 2 MR wirblfri starr 2 Kugl Idal inkomprssibl Flüssigkit ohn innr Ribung (suprafluid, wirblfri). (Masslos Eirschal, gfüllt mit suprafluidm 3 H, nur Ausbulung ds Eis trägt zu θ bi.) Qull: Povh, Tilchn und Krn Exprimnt: in dr Mitt; Krn ist z.t. suprafluid (innr Schaln, Paarungskraft) z.t. starrs Ellipsoid (ungpaart Nuklonn)

7 Nuklar Thrmodynamik Krn im Grundzustand: ntartts Frmi Gas, Nuklonn quasi-fri, Eintilchn Zuständ mit Radial- und Orbital- Anrgung. Thrmodynamisch: T=0. Krn in hohn Anrgungszuständn: rduzirt fri Wgläng ca. 1 fm, nährt sich normalr Flüssigkit an. Statistisch, thrmodynamisch Größn z.b. T. Achtung: Zahl dr Tilchn nicht wirklich groß, nicht im thrmodynamischn Glichgwicht: "Krnmatri" implizirt shr groß Systm. Exprimntll: Schwrionnraktionn; z.b. Gold Gold, Gold Bli CERN Fixd Targt RHIC Brookhavn (USA) (Rlativistic Havy Ion Collidr) LHC havy ion programm (ALICE Exprimnt) Krn vrschmlzn und bildn kurzzitig Krnmatri mit rhöhtm T und ρ. wichtig für Kosmologi und Astrophysik

8 Qull: Povh, Tilchn und Krn Photon - Emission Krntmpratur "Tmpratur" 252 Cf : τ = 2.6 Jahr 3.1% : spontan Spaltung Emission Photon - Trnnung dr Spaltfragmnt Ribung rhöht innr Enrgi dr Fragmnt, di sich dadurch rhitzn Abkühlung dr Spaltfragmnt X und Y rst durch Nutron Emission (im Mittl 4n) Wnn Enrgi nicht mhr groß gnug ist für n Emission: Photon Emission

9 Enrgispktrn bi spontanr 252 Cf-Spaltung Nutronn- Enrgispktrum Maxwll - Vrtilung N n ( E n ) "Vrdampfungsspktrum" mit kt 1.41 MV E n E n kt Photonn- Enrgispktrum Qull: Povh, Tilchn und Krn Photonn: im Mittl ca. 20 Photonn pro Spaltung 80% habn Enrgin untr 1 MV stärkrr Abfall: T ist schon dutlich nidrigr Qull: Povh, Tilchn und Krn Thrmodynamisch, statistisch Bschribung funktionirt ganz gut!

10 Qull: Povh, Tilchn und Krn Qull: Povh, Tilchn und Krn Priphr Ion-Ion Stöß Au Au ; 600 MV / Nuklon analog zu Vrdampfung von Wassr, Phasnübrgang flüssig gasförmig rhitzt Krn rkaltn durch Vrdampfung Tmp. quasi konstant Tmpraturmssung: aus Maxwll Vrtilung dr Zrfallsprodukt zugführt Gsamtnrgi: aus Nachwis allr rzugtn Tilchn im Endzustand Nuklonschicht in dr Gasphas, di nicht abdampft, im Glichgwicht mit flüssigm Krn. Erst wnn alls vrdampft ist, ist Tmpraturrhöhung möglich

11 Hadronisch Matri zntral Gold-Gold Kollisionn 10 GV/Nuklon vil Pionn ntsthn N + N Δ + N Δ Nπ, Nπ Δ Mischung aus Nuklonn, Δ und π: fri Wgläng 1 fm thrmodyn. Glichgwicht hadronisch Matri π: E kt dn Pionstrahlungs Tmpratur übrstigt kt 150 MV nicht, unabhängig von dr Gsamtnrgi. Hiß Krnmatri xpandirt und kühlt dabi ab. Qull: Povh, Tilchn und Krn Untrhalb von 150 MV nimmt WW Wahrschinlichkit dr Pionn drastisch ab, und damit auch dr Enrgiaustausch mit andrn Tilchn. "Ausfrirn dr Pionn" de kin kin

12 Quark-Gluon Plasma (QGP) Univrsum 1 µs nach dm Urknall priphr Stöß Kalt Krn N Δ π QGP 1 Nuklon nimmt 6 fm 3 Volumn in (Eignvolumn ds Nuklons: ca. 0.6 fm 3 ) Auflösung dr Nuklonn in Quarks und Gluonn Nachwis ds QGP: durch.m. Strahlung (kann aus Zntrum dr Schwrionnraktion ntkommn; kühlt nicht durch Expansion ab.) durch rhöht Strangnss Produktion durch Untrdrückung von J/ψ Status: CERN, RHIC : QGP gfundn (abr noch umstrittn, Intrprtationn nicht indutig) Qull: Povh, Tilchn und Krn

13 Quark-Gluon Plasma Nuklonn "Dconfinmnt" Nuklonn