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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
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
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
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
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
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
• 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"
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
Problem:
Wirkungsquerschnitt im Labor ≠ Wirkungsquerschnitt im Stern
3He(d,p)4He
bare
Korrektur für stellare Raten nötig!
TU Berlin
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
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
Fusion bis zum Eisen
r-Prozess
rp-Prozess
s-Prozessp-Prozess
s-Prozess Untersuchungen
AGB-Sterne
),(
1~
nANs-Prozess:
FZ Karlsruhe
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
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
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
Messungen mit der Flugzeitmethode (ToF):
sample
Pb neutron target
p-beam
collimated n-beam
FZ Karlsruhe
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
Aktivierungsmethode: Simulation eines stellaren Neutronenspektrums mit Hilfe der 7Li(p,n)7Be Reaktion.
s-Prozess - Ausblick
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
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
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
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.
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
TU München
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
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
Fusion bis zum Eisen
r-Prozess
rp-Prozess
s-Prozessp-Prozess
p-Prozess Untersuchungen
(,n)-, (,)- und (,p)- Reaktionen werden benötigt.
Supernova
TU Darmstadt
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
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
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
• 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
FZ Dresden-Rossendorf
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
Arbeitsgruppe: Eckart Grosse
Ausstattung: Elektronenbeschleuniger ELBE
Forschungsziele: Photoaktivierungsmessungen für den p-Prozess
FZ Dresden-Rossendorf
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
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
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
• (,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
Fusion bis zum Eisen
r-Prozess
rp-Prozess
s-Prozessp-Prozess
r- und rp-Prozess Untersuchungen
Supernova
Doppelsternsysteme
GSI
Massenmessungen im ESR
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
GSI
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
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
Michael Heil, KHuK Jahrestagung, 25./26.10.2007
• 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.