• Der 1s Grundzustand in pionischen Bleiatomen
  
  
• Ist 19C ein Halokern?
  
  
• Flüchtige Linien
  
  
• Transmutation und Inzineration radioaktiver Abfälle
  
  
• Ein neues Spektrometer für Präzisionstests der Quantenelektrodynamik
  
  

Pionische Atome sind exotische Systeme, in denen sich ein negativ geladenes Pion in einem atomartigen Orbital bewegt. Verglichen mit Elektronenorbitalen besitzen pionische Orbitale jedoch einen fast 300mal kleineren Radius, was im wesentlichen eine Folge des großen Massenunterschieds der beiden Teilchen ist. Das führt dazu, daß in schweren Atomen mit hoher Kernladung und vergleichsweise großen Kernradien die energetisch tiefliegenden pionischen Zustände stark mit dem Kernvolumen überlappen. Mithin spüren die Pionen in diesen tiefliegenden Zuständen nicht nur die langreichweitige Coulombkraft, sondern auch die kurzreichweitige Kernkraft. Hierin liegt der wissenschaftlich interessante Aspekt dieser exotischen Systeme: Tiefliegende pionische Zustände in schweren Atomen erlauben den Teilchen- und Kernphysikern einen genauen Einblick in die Wechselwirkung von Pionen mit dem Kern, insbesondere in das s-Wellen Pion-Kern-Potential. Mehr...



Über die Transferreaktion 206Pb (d,3He) 205PbXp- werden die tiefliegenden pionischen Zustände besetzt und identifiziert. Die pionische Reaktion findet an einem Neutron des 206Pb statt, das als Proton an das d-Projektil zur Bildung von 3He transferiert wird, während das entstehende negative Pion in einem quasistabilen tiefliegenden Zustand verbleibt.

Die Untersuchung exotischer Kerne mit extremem Neutronenüberschuß im Vergleich zu den stabilen Isotopen gehört zu den aktuellen Themen der Kernstrukturphysik. Insbesondere leichte neutronenreiche Kerne wie 11Li und 11Be zeigen überaus interessante Phänomene wie die Bildung eines weit ausgedehnten Neutronenschleiers - eines sogenannten Halos - um den als Core bezeichneten Restkern. Laut theoretischen Überlegungen sollten solche Halostrukturen auch bei schwereren Kernen vorkommen können. Ein besonders interessanter Kern ist 19C, für den die Bildung eines Ein-Neutron-Halos um den 18C-Restkern angenommen wird. Kürzlich am Fragmentseparator der GSI durchgeführte Experimente unterstützen diese Annahme. Mehr...



Ein-Neutron-Separationsquerschnitt für 19C und 12C. Gezeigt ist die Impulsverteilung der 18C Fragmente nach Aufbruch von 19C (grün) und der 11C Fragmente nach Aufbruch von 12C (gelb). Die um einen Faktor drei schmalere Impulsverteilung der 18C Fragmente unterstüstzt die Annahme einer Halostruktur von 19C. Die gestichelten Linien geben die jeweiligen Halbwertsbreite der Impulsverteilungen wieder.

Anfang der achtziger Jahre waren von den GSI Gruppen ORANGE und EPOS bei Untersuchungen der e+- und e+e--Emission in zentralen Kollisionen sehr schwerer Ionen Linienstrukturen in den gemessenen Spektren beobachtet worden. Für diese bei Einschußenergien nahe der Coulombschwelle gefundenen Linien ließ sich keine konventionelle Erklärung finden. Sie wurden lange Zeit im Zusammenhang mit neuen, bislang unentdeckten Phänomenen diskutiert, anfangs als Signatur spontaner Emission in den kurzzeitig erzeugten überkritischen elektrischen Feldern und später als Folge des Leptonenpaar-Zerfalls eines bisher unbekannten neutralen Teilchens. Mit dem Ziel, die Herkunft der Linien zu klären, wurde in den Jahren 1993 bis 1995 mit erheblich verbesserten Apparaturen eine neue Generation von e+e--Experimenten durchgeführt. Dabei konnten die früher beobachteten Linien nicht reproduziert werden. Mehr...

Aufbau der Spektrometer ORANGE (oben) und EPOS II (unten). Beide Apparaturen nutzen ortsauflösende Parallelplatten-Lawinenzähler, um die gestreuten Schwerionen nachzuweisen. Um emittierte Positronen und e+e--Paare zu spektroskopieren, müssen diese in einem um viele Größenordnungen intensiveren Untergrund aus g-Strahlung und d-Elektronen eindeutig identifiziert werden. Die Spektrometer nutzen hierzu die Ablenkung der geladenen Leptonen im Magnetfeld, um diese zunächst aus der Region intensiver g-Strahlung in unmittelbarer Targetumgebung herauszutransportieren. Beim ORANGE-Spektrometer geschieht dies durch zwei toroidale Magnetfelder, bei EPOS durch ein solenoidales Magnetfeld.





Transmutation und Inzineration radioaktiver Abfälle

Beschleunigergetriebene unterkritische Reaktorsysteme, sogenannte Hybridreaktoren, könnten einen Ausweg aus den Problemen der Lagerung langlebigen radioaktiven Abfalls aufzeigen. Durch nukleare Transmutation lassen sich langlebige Spaltprodukte in kürzerlebige oder stabile Isotope umwandeln. Über Inzineration können die in der Reaktortechnik gebildeten Transurane eingeäschert, das heißt in leichtere Elemente und Isotope gespalten werden. Auf diese Weise ließen sich im Prinzip auch die vielen tausend Tonnen Plutonium aus der zivilen und militärischen Kerntechnik beseitigen. Die GSI trägt dazu bei, grundlegende Daten für die Inzineration solcher langlebiger Isotope zu beschaffen. Mehr...



Prinzip des Inzinerators zur Einäscherung langlebiger radioaktiver Isotope. Ein Beschleuniger erzeugt einen intensiven (50 mA) Protonenstrahl mit 1 GeV Energie, der in einem Bleitarget Spallationsneutronen freisetzt. Diese steuern die Neutronenbilanz in einem unterkritischen Reaktor. Der Reaktor wird im Thorium-Uran Zyklus betrieben und kann alle Transurane einschließlich Waffenplutonium 239Pu, sowie langlebige Spaltprodukte einäschern.

Zu den zentralen Themen des atomphysikalischen Programms der GSI gehören Präzisionstests der Quantenelektrodynamik (QED) in starken elektrischen und magnetischen Feldern. Ein Großteil der Experimente konzentriert sich auf die Röntgenspektroskopie von wasserstoffähnlichen schweren Ionen, wie z.B. U91+, am Experimentierspeicherring ESR. In den vergangenen Jahren ist es bei der GSI gelungen, die QED-Beiträge zur 1s-Grundzustandsenergie von U91+ mit einer Genauigkeit von etwa 12 eV zu bestimmen. Für einen kritischen Test der QED muß die Genauigkeit jedoch noch weiter auf etwa 1 eV gesteigert werden. Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, wird gegenwärtig am ESR ein Kristallspektrometer aufgebaut, das für Röntgenenergien im Bereich 50-100 keV optimiert ist. Dies entspricht Wellenlängen zwischen 25 und 12 Picometern. Das Vorhaben wird gemeinsam mit den Universitäten Jena und Siegen sowie dem Forschungszentrum Jülich durchgeführt. Mehr...


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Schematischer Aufbau des Spektrometers. Die Röntgenquanten werden aus der Wechselwirkungszone des Ionenstrahls mit dem Gasjet emittiert und durch einen zylindrisch geformten Siliziumkristall auf positionsempfindliche Detektoren Bragg-reflektiert. Durch Messung der Wellenlängendifferenz zur bekannten Spektrallinie einer Eichquelle kann die Röntgenenergie mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.