experimentelle nukleare astrophysik in deutschland michael heil (gsi), khuk jahrestagung, 25./26.10....

Experimentelle Nukleare Astrophysik in Deutschland

Michael Heil (GSI), KHuK Jahrestagung, 25./26.10. 2007

TU Berlin

Ruhr- Uni Bochum

FZ Dresden-Rossendorf

TU MünchenFZ Karlsruhe

J.W. Goethe Uni Frankfurt

TU DarmstadtGSI Darmstadt

Neutronenzahl

Pro

ton

enz

ahl

Fusion bis zum Eisen

r-Prozess

rp-Prozess

s-Prozessp-Prozess

Ziele der nuklearen Astrophysik

Beobachtungen alter Sterne geben Hinweise auf weitere Prozesse!

Erforschung der nuklearen Prozesse, die in stellaren Objekten ablaufen und zur Energieproduktion oder zur Synthese der chemischen Elemente beitragen.

Stellare Fusionsreaktionen

Problem: Wirkungsquerschnitte von Fusionsreaktionen sind oft extrem klein!

Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007

S(E) E

σ(E) 2exp1

Rolfs & Rodney "Cauldrons in the Cosmos"

Ruhr-Universität Bochum - LUNA


Ort: Gran Sasso, Italien

Ausstattung: Untergrundlabor mit zwei Beschleunigern LUNA1: 50 kV and LUNA2: 400 kV

Forschungsziele: Messung sehr kleiner Wirkungsquerschnitte (pp-Kette und CNO-Zyklus) im astrophysikalisch relevanten Bereichs (Gamow Fenster).

Arbeitsgruppe: Claus Rolfs

Ruhr-Universität Bochum


Messung der Schlüsselreaktion 12C(,)16O Üblicherweise: Messung der -Strahlung nach Fusion mit Ge-Detektoren

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.01

10

100

1000

Sto

t [k

eV-b

]

Ecm

[MeV]

Kunz et al. (01)

Ec.m. (MeV)

In Bochum: Inverse Kinematik mit dem "Recoil"- Separator ERNA

Fusionsreaktionen bei kleinen Energien - Ausblick


• Untergrundlabor im Salzstock

• Höhere Strahlintensitäten durch neue Beschleuniger (z.B. ECOS)

• Hochstrom-Targets

• Effizienter Nachweis der Reaktionsprodukte (z.B. Recoil- Separator, effiziente Detektorarrays)

• Indirekte Methoden (z.B. Coulomb-Aufbruch)

"electron screening"


Problem:

Wirkungsquerschnitt im Labor ≠ Wirkungsquerschnitt im Stern

3He(d,p)4He

bare

Korrektur für stellare Raten nötig!

TU Berlin


Arbeitsgruppe: Konrad Czerski

Ausstattung: Elektrostatischer Beschleuniger (Umax=180 kV)

Forschungsziele: Deuterium induzierte Reaktionen bei niedrigen Energien (primordiale Nukleosynthese)

Experimente zum "electron screening" Effekt in metallischen Umgebungen

6Li(d,)4He

G. Ruprecht, K. Czerski, D. Bemmerer, M. Hoeft, P. Heide, Phys. Rev. C70 (2004) 02503

Neutronenzahl

Pro

ton

enz

ahl


r-Prozess

rp-Prozess

s-Prozessp-Prozess

s-Prozess Untersuchungen

AGB-Sterne

),(

1~

nANs-Prozess:

FZ Karlsruhe


Arbeitsgruppe: Franz Käppeler

Ausstattung: 3.7 MV Van de Graaff Beschleuniger, Neutronenproduktion über 7Li(p,n)7Be

Forschungsziele: Messung von (n,)-Querschnitten mit der Flugzeit- oder Aktivierungsmethode für den s-Prozess.

FZ Karlsruhe


Messungen mit der Flugzeitmethode (ToF):

sample

Pb neutron target

p-beam

collimated n-beam

FZ Karlsruhe


Aktivierungsmethode: Simulation eines stellaren Neutronenspektrums mit Hilfe der 7Li(p,n)7Be Reaktion.

s-Prozess - Ausblick


Messung von kleinen(n,)-Querschnitten

(n,)

Z+1

AA-1 A+1

A+1Z+1

(n,)

(n,)

(-) (-)

Messung von (n,)-Querschnitten radioaktiver

Nuklide (kleine Probenmengen!)

leichte Kerne Verzweigungspunkte im s-Prozesspfad

⇒ erfordert höhere Neutronenflüsse und die Herstellung radioaktiver Proben

J.W. Goethe Universität Frankfurt


Die Frankfurter Neutronenquelle des Stern-Gerlach-Zentrums (FRANZ)

Design by Prof. Ratzinger, Prof. Schempp, O. Meusel and P. C. Chau

ToF Messungen:Protonenstrahl 2 mA, 250 kHz,4·107 s-1 cm-2

Neutronen

Aktivierungen:Protonenstrahl 30 mA,1012 s-1 Neutronen

Höchster Neutronenfluss in keV-Region weltweit!

TU München

Arbeitsgruppe: Gunther Korschinek

Ausstattung: 14 MV Tandem BeschleunigerGas gefüllter Magnet für AMS

Forschungsziele: Messung von langlebigen Radionukliden durch Beschleuniger-Massen-Spektrometrie.

Sehr sensitive Methode: Isotopenverhältnissebis 10-16 können gemessen werden.


TU München


Die Suche nach 60Fe in langsam wachsenden (2.5 mm pro 1 Million Jahre) Tiefsee-Sedimenten.

Ergebnis: Supernova vor etwa 2.8 Millionen Jahren.

(182Hf, 244Pu...)

(60Fe...)

( 10Be...)

Methode kann auch für Wirkungsquerschnittsmessungen eingesetzt werden (Bsp.: 62Ni(n,)63Ni).

Neutronenzahl

Pro

ton

enz

ahl


r-Prozess

rp-Prozess

s-Prozessp-Prozess

p-Prozess Untersuchungen

(,n)-, (,)- und (,p)- Reaktionen werden benötigt.

Supernova

TU Darmstadt


Arbeitsgruppe: Andreas Zilges

Ausstattung: Superconducting DArmstadt LInear ACcelerator (S-DALINAC). Photonen bis zu Energien von 10 MeV werden durch Abbremsen des Elektronstrahls (2.5 - 120 MeV) produziert.

Forschungsziele: Aktivierungsmessungen im Photonenstrahl für den p- und den s-Prozess.

TU Darmstadt


• Photonenenergie: 6 MeV ≤ E ≤ 20 MeV

• Energieauflösung: E = 25 keV @ 10 MeV• Intensität: 5·104 keV-1s-1

• Messung von (,n), (,p) und (,) Querschnitten für den p-Prozess

Photon Tagger System NEPTUN



Arbeitsgruppe: Eckart Grosse

Ausstattung: Elektronenbeschleuniger ELBE

Forschungsziele: Photoaktivierungsmessungen für den p-Prozess



Neutronenproduktion an ELBE• Neutronen werden durch (,n) Reaktionen im Blei erzeugt• Entwicklung eines flüssigen Blei-Targets.• Neutronenergie: 50 keV – 10 MeV bei 0.5 MHz Wiederholfrequenz• (n,)-Messungen für den s-Prozess

p-Prozess - Ausblick


• (,n)-Reaktionen mit virtuellen Photonen (Messungen an Mo-Isotopen an der TU Darmstadt, FZ Dresden-Rossendorf und GSI).

• Untersuchungen von (p,) und (,)-Reaktionen in inverser Kinematik mit abgebremsten Strahlen im Speicherring.

• Messung von (,)- und (,)-Querschnitte um OMP für -Potenziale zu verbessern.

Neutronenzahl

Pro

ton

enz

ahl


r-Prozess

rp-Prozess

s-Prozessp-Prozess

r- und rp-Prozess Untersuchungen

Supernova

Doppelsternsysteme

GSI

Massenmessungen im ESR


GSI


aa b

c

Solares Neutrino Problem: 7Be + p 8B + Reaktion bestimmt Fluss an 8B-Neutrinos: 8B 2 + e+ + e

Gute Übereinstimmung mit direkten Messungen!

Messung der Umkehrreaktion 8B(p7Be mit der Coulomb-Aufbruch Methode bei 200 A.MeV

Coulomb-Aufbruch als indirekte Methode

N. Iwasa et al., Phys. Rev. Lett. 83 (1999) 2910 F. Schümann et al. PRL 90 (2003) 232501

rp- und r-Prozess - Ausblick


• Kernstrukturexperimente mit exotischen Strahlen (Massen, Halbwertszeiten, Levels, Entwicklung magischer Zahlen ...)

• Indirekte Methoden (Coulomb-Aufbruch, "Trojan-Horse"- Methode ...)

• FAIR: Produktion exotischer Kerne mit höherer Intensität, zahlreiche Experimente mit astrophysikalischer Motivation.

experimentelle nukleare astrophysik in deutschland michael heil (gsi), khuk jahrestagung, 25./26.10....

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