SFB 634: Kernstruktur, nukleare Astrophysik und fundamentale Experimente bei niedrigen Impulsüberträgen am supraleitenden Darmstädter Elektronenbeschleuniger (S-DALINAC)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der Sonderforschungsbereich 634 “Kernstruktur, nukleare Astrophysik und fundamentale Experimente bei niedrigem Impulsübertrag am supraleitenden Darmstädter Elektronenbeschleuniger (S-DALINAC)“ befasste sich mit der wissenschaftlichen Nutzung und der technischen Weiterentwicklung des an der Technischen Universität Darmstadt aufgebauten, supraleitenden Teilchenbeschleunigers S-DALINAC. Er beschleunigt Elektronen in starken hochfrequenten elektrischen Feldern in supraleitenden Mikrowellenresonatoren und stellt energiereiche Strahlen von beschleunigten Elektronen und von ihnen durch Bremsstrahlungsprozesse erzeugte Photonen zur Verfügung, die geeignet sind, um Atomkerne in angeregte Quantenzustände zu versetzen. Die entsprechenden Kernreaktionen werden mit geeigneten Detektorsystemen beobachtet. Die so gewonnenen Messdaten sind Voraussetzungen für wissenschaftliche Fortschritte in mit einander zusammenhängenden Forschungsfeldern in der Kernphysik und der nuklearen Astrophysik. Der SFB 634 war in fünf mit einander verzahnte Projektbereiche gegliedert, die sich mit Problemstellungen aus den Forschungsfeldern (A) Kernstrukturphysik, (B) Nukleare Astrophysik, (C) Fundamentale Experimente, (D) Theoretische Kernstrukturphysik und (E) Beschleunigerentwicklung befassten. Im Rahmen des SFB 634 arbeiteten Wissenschaftler auf den Gebieten der experimentellen Kernphysik, der theoretischen Physik und der Elektrotechnik eng zusammen. Dabei entstanden über 400 referierte wissenschaftliche Veröffentlichungen und 70 Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler fertigten auf der Grundlage der im SFB durchgeführten Forschungsarbeiten ihre Dissertationen an. Unter anderem erforschten die am SFB 634 beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Verhalten von aus vielen Protonen und Neutronen zusammengesetzten Atomkernen in hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldern, denen sie in Form von kurzwelligen Photonenstrahlen oder durch die elektromagnetischen Pulse in Streureaktionen von Elektronen oder anderen elektrisch geladenen Teilchen ausgesetzt wurden. Die im SFB 634 gewonnen Daten und ihre theoretische Interpretation trugen erheblich zur Beobachtung und zum Verständnis der so genannten Pygmy Dipol Resonanz von Atomkernen bei. Diese tritt in Atomkernen mit einem Überschuss von Neutronen gegenüber Protonen als Überhöhung der Reaktionswahrscheinlichkeit mit niederenergetischen Photonen in Erscheinung und wird als teilweise Dichteoszillation der Neutronen gegen die Protonen verstanden. Ihre Eigenschaften sind sensitiv auf die Abhängigkeit der Kräfte zwischen Protonen und Neutronen von ihrer lokalen Dichte. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis von extremen kosmischen Objekten, wie etwa Neutronensternen, oder den Vorgängen der natürlichen Entstehung schwerer chemischer Elemente in explodierenden Sternen, wie etwa Supernova-Ereignissen, bei. Im Rahmen des SFB 634 gelang erstmals auch der Nachweis eines neuen Phänomens des radioaktiven Zerfalls. In seltenen Fällen können angeregte Quantenzustände von Atomkernen anstatt über die Aussendung eines einzelnen Gammaquants durch die gleichzeitige Emission von zwei Gammaquanten zerfallen. Dieser so genannte kompetitive Doppelgamma-Zerfall entzog sich seit seiner Vorhersage durch quantenphysikalische Berechnungen vor 85 Jahren der Beobachtung und konnte nun im Rahmen des SFB 634 durch neuartige Detektoren, die über ihre hohe Zeitauflösung die Gleichzeitigkeit der Emission von störendem Messuntergrund trennen konnten, nachgewiesen und für den beobachteten Fall durch theoretische Analysen quantitativ verstanden werden. Weitere Ergebnisse des SFB 634 betrafen z.B. die Entwicklung neuer Messverfahren für die fundamentalen Eigenschaften des Protons, wie etwa dessen Ladungsradius und seine elektrische und magnetische Polarisierbarkeit, oder das Verständnis des chaotischen Verhaltens angeregter Zustände von Quantensystemen durch deren Simulation in supraleitenden Mikrowellenresonatoren verschiedener Formen und Eigenschaften. Theoretische Methoden zum Verständnis der Eigenschaften von Atomkernen basierend auf der fundamentalen Quantenchromodynamik (QCD) konnten erheblich weiterentwickelt und auch für ein verbessertes Verständnis von astrophysikalischen Prozessen in kosmischen Objekten wie etwa Neutronensternen oder Supernovae eingesetzt werden. In enger Zusammenarbeit von Physikern und Elektrotechnikern wurde der S-DALINAC technisch verbessert, so dass er nun Elektronenstrahlen mit einer höheren Energieschärfe und Stabilität zur Verfügung stellen kann. Im Rahmen der Arbeiten im SFB 634 wurde er zu dem ersten deutschen Teilchenbeschleuniger ausgebaut, der im Modus eines so genannten Energy Recovery LINACs betrieben werden kann, in dem die kinetische Energie des beschleunigten Strahls nach der Durchführung von Experimenten durch Abbremsung weitgehend wieder zurückgewonnen wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Ab Initio Study of 40Ca with an Importance Truncated No-Core Shell Model. Phys. Rev. Lett. 99 (2007) 092501
R. Roth and P. Navrátil
- Gamow-Teller Strength in the Exotic Odd-Odd Nuclei 138La and 180Ta and Its Relevance for Neutrino Nucleosynthesis. Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 082501
A. Byelikov, T. Adachi, H. Fujita, K. Fujita, Y. Fujita, K. Hatanaka, A. Heger, Y. Kalmykov, K. Kawase, K. Langanke, G. Martínez-Pinedo, K. Najanishi, P. von Neumann-Cosel, R. Neveling, A. Richter, N. Sakamoto, Y. sakemi, A. Shevchenko, A. Shimbara, Y. Shimizu, F.D. Smit, Y. Tameshige, A. Tamii, S.E. Woosley and M. Yosei
- High-Energy-Resolution Inelastic Electron and Proton Scattering and the Multiphonon Nature of Mixed-Symmetry 2+ States in 94Mo. Phys. Rev. Lett. 99 (2007) 092503
O. Burda, N. Botha, J. Carter, R. W. Fearick, S. V. Förtsch, C. Fransen, H. Fujita, J. D. Holt, M. Kuhar, A. Lenhardt, P. von Neumann-Cosel, R. Neveling, N. Pietralla, V. Y. Ponomarev, A. Richter, O. Scholten, E. Sideras-Haddad, F. D. Smit and J. Wambach
- Induced Time-Reversal Symmetry Breaking Observed in Microwave Billiards. Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 074103
B. Dietz, T. Friedrich, H.L. Harney, M. Miski-Oglu, A. Richter, F. Schäfer and H.A. Weidenmüller
- Spin- and Parity-Resolved Level Densities from the Fine Structure of Giant Resonances. Phys. Rev. Lett. 99 (2007) 202502
Y. Kalmykov, C. Özen, K. Langanke, G. Martínez-Pinedo, P. von Neumann-Cosel and A. Richter
- Structure of the Hoyle State in 12C. Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 032501
M. Chernykh, H. Feldmeier, T. Neff, P. von Neumann-Cosel and A. Richter
- Experiments on multiphonon states with proton-neutron mixed symmetry in vibrational nuclei. Prog. Part. Nucl. Phys. 60 (2008) 225
N. Pietralla, P. von Brentano and A. Lisetskiy
- Fine Structure of the Pygmy Dipole Resonance in 136Xe. Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 232501
D. Savran, M. Fritzsche, J. Hasper, K. Lindenberg, S. Müller, V. Y. Ponomarev, K. Sonnabend and A. Zilges
- Measurement of the Reaction 2H(e,e'). Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 172501
N. Ryezayeva, H. Arenhövel, O. Burda, A. Byelikov, M. Chernykh, J. Enders, H. W. Grießhammer, Y. Kalmykov, P. von Neumann-Cosel, B. Özel, I. Poltoratska, I. Pysmenetska, C. Rangacharyulu, S. Rathi, A. Richter, G. Schrieder, A. Shevchenko and O. Yevetska
- Nonthermal Fixed Points: Effective Weak Coupling for Strongly Correlated Systems Far from Equilibrium. Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 041603
J. Berges, A. Rothkopf and J. Schmidt
- Superscars in Billiards: A Model for Doorway States in Quantum Spectra. Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 204101
S. Åberg, T. Guhr, M. Miski-Oglu and A. Richter
- Induced Violation of Time-Reversal Invariance in the Regime of Weakly Overlapping Resonances. Phys. Rev. Lett. 103 (2009) 064101
B. Dietz, T. Friedrich, H. L. Harney, M. Miski-Oglu, A. Richter, F. Schäfer, J. Verbaarschot and H. A. Weidenmüller
- Isospin character of the pygmy dipole resonance in 124Sn. Phys. Rev. Lett. 105 (2010) 212503
J. Endres, E. Litvinova, D. Savran, P.A. Butler, M.N. Harakeh, S. Harissopulos, R.-D. Herzberg, R. Krücken, A. Lagoyannis, N. Pietralla, V.Yu. Ponomarev, L. Popescu, P. Ring, M. Scheck, K. Sonnabend, V.I. Stoica, H.J. Wörtche, and A. Zilges
- Magnetic dipole excitations in nuclei: Elementary modes of nucleonic motion. Rev. Mod. Phys. 82 (2010) 2365
K. Heyde, P. von Neumann-Cosel and A. Richter
- Pair Decay Width of the Hoyle State and its Role for Stellar Carbon Production. Phys. Rev. Lett. 105 (2010) 022501
M. Chernykh, H. Feldmeier, T. Neff, P. von Neumann-Cosel and A. Richter
- Random Matrices and Chaos in Nuclear Physics: Nuclear Reactions. Rev. Mod. Phys. 82 (2010) 2845
G. E. Mitchell, A. Richter, and H. A. Weidenmüller
- Complete Electric Dipole Response and the Neutron Skin in 208Pb. Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 062502
A. Tamii, I. Poltoratska, P. von Neumann-Cosel, Y. Fujita, T. Adachi, C. Bertulani, J. Carter, M. Dozono, H. Fujita, K. Fujita, K. Hatanaka, D. Ishikawa, M. Itoh, T. Kawabata, Y. Kalmykov, A.M. Krumbholz, E. Litvinova, H. Msubara, K. Nakanishi, R. Neveling, H. Okamura, H. Ong, B. Özel-Tashenov, V.Yu. Ponomarev, A. Richter, B. Rubio, H. Sakaguchi, Y. Sakemi, Y. Sasamoto, Y. Shimbara, Y. Shimizu, F. Smit, T. Suzuki, Y. Tameshige, J. Wambach, R. Yamada, M. Yosoi, J. Zenihiro
- Origin of Low-Energy Quadrupole Collectivity in Vibrational Nuclei. Phys. Rev. Lett. 106 (2011) 062501
C. Walz, H. Fujita, A. Krugmann, P. von Neumann-Cosel, N. Pietralla, V.Yu. Ponomarev, A. Scheikh-Obeid, J. Wambach
- Charged-Current Weak Interaction Processes in Hot and Dense Matter and its Impact on the Spectra of Neutrinos Emitted from Protoneutron Star Cooling. Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 251104
G. Martínez-Pinedo, T. Fischer, A. Lohs, and L. Huther
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.251104) - Medium-Mass Nuclei with Normal-Ordered Chiral NN+3N Interactions. Phys. Rev. Lett. 109 (2012) 052501
Robert Roth, Sven Binder, Klaus Vobig, Angelo Calci, Joachim Langhammer, and Petr Navrátil
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.052501) - Polarization Transfer of Bremsstrahlung Arising from Spin-Polarized Electrons. Phys. Rev. Lett. 108 (2012) 264801
R. Märtin, G. Weber, R. Barday, Y. Fritzsche, U. Spillmann, W. Chen, R. D. DuBois, J. Enders, M. Hegewald, S. Hess, A. Surzhykov, D. B. Thorn, S. Trotsenko, M. Wagner, D. F. A. Winters, V. A. Yerokhin, and Th. Stöhlker
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.264801) - PT Symmetry and Spontaneous Symmetry Breaking in a Microwave Billiard. Phys. Rev. Lett. 108 (2012) 024101
S. Bittner, B. Dietz, U. Günther, H. L. Harney, M. Miski-Oglu, A. Richter, and F. Schäfer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.024101) - Ab Initio Calculations of Even Oxygen Isotopes with Chiral Two-Plus-Three-Nucleon Interactions. Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 242501
H. Hergert, S. Binder, A. Calci, J. Langhammer, and R. Roth
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.242501) - Constraint on 0νββ Matrix Elements from a Novel Decay Channel of the Scissors Mode: The Case of 154Gd. Phys. Rev. Lett. 111 (2013) 172501
J. Beller, N. Pietralla, J. Barea, M. Elvers, J. Endres, C. Fransen, J. Kotila, O. Möller, A. Richter, T. R. Rodriguez, C. Romig, D. Savran, M. Scheck, L. Schnorrenberger, K. Sonnabend, V. Werner, A. Zilges, and M. Zweidinger
- Distribution of Scattering Matrix Elements in Quantum Chaotic Scattering. Phys. Rev. Lett. 111 (2013) 030403
S. Kumar, A. Nock, H.-J. Sommers, T. Guhr, B. Dietz, M. Miski-Oglu, A. Richter, and F. Schäfer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.030403) - Experimental studies of the Pygmy Dipole Resonance. Prog. Part. Nucl. Phys. 70 (2013) 210
D. Savran, T. Aumann, A. Zilges
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ppnp.2013.02.003) - Imaginary Polarization as a Way to Surmount the Sign Problem in Ab Initio Calculations of Spin-Imbalanced Fermi Gases. Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 130404
Jens Braun, Jiunn-Wei Chen, Jian Deng, Joaquín E. Drut, Bengt Friman, Chen-Te Ma, and Yu-Dai Tsai
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.130404) - Neutron Matter at Next-to-Next-to-Next-to-Leading Order in Chiral Effective Field Theory. Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 032504
I. Tews, T. Krüger, K. Hebeler, and A. Schwenk
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.032504) - Quantum Monte Carlo Calculations with Chiral Effective Field Theory Interactions. Phys. Rev. Lett. 111 (2013) 032501
A. Gezerlis, I. Tews, E. Epelbaum, S. Gandolfi, K. Hebeler, A. Nogga, and A. Schwenk
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.032501) - Three-Body Forces and Proton-Rich Nuclei. Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 022502
J. D. Holt, J. Menéndez, and A. Schwenk
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.022502) - Ab Initio Description of p-Shell Hypernuclei. Phys. Rev. Lett. 113 (2014) 192502
Roland Wirth, Daniel Gazda, Petr Navrátil, Angelo Calci, Joachim Langhammer, Robert Roth
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.192502) - Breakdown of the Isobaric Multiplet Mass Equation for the A=20 and 21 Multiplets. Phys. Rev. Lett. 113 (2014) 082501
A. T. Gallant, M. Brodeur, C. Andreoiu, A. Bader, A. Chaudhuri, U. Chowdhury, A. Grossheim, R. Klawitter, A. A. Kwiatkowski, K. G. Leach, A. Lennarz, T. D. Macdonald, B. E. Schultz, J. Lassen, H. Heggen, S. Raeder, A. Teigelhöfer, B. A. Brown, A. Magilligan, J. D. Holt, J. Menéndez, J. Simonis, A. Schwenk, and J. Dilling
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.082501) - Nonperturbative Shell-Model Interactions from the In-Medium Similarity Renormalization Group. Phys. Rev. Lett. 113 (2014) 142501
S. K. Bogner, H. Hergert, J. D. Holt, A. Schwenk, S. Binder, A. Calci, J. Langhammer, and R. Roth
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.142501) - Observation of Low- and High-Energy Gamow-Teller Phonon Excitations in Nuclei. Phys. Rev. Lett. 112 (2014) 112502
Y. Fujita, H. Fujita, T. Adachi, C.L. Bai, A. Algora, G.P.A. Berg, P. von Brentano, G. Colò, M. Csatlós, J. M. Deaven, E. Estevez-Aguado, C. Fransen, D. De Frenne, K. Fujita, E. Ganioğlu, C. J. Guess, J. Gulyás, K. Hatanaka, K. Hirota, M. Honma, D. Ishikawa, E. Jacobs, A. Krasznahorkay, H. Matsubara, K. Matsuyanagi, R. Meharchand, F. Molina, K. Muto, K. Nakanishi, A. Negret, H. Okamura, H. J. Ong, T. Otsuka, N. Pietralla, G. Perdikakis, L. Popescu, B. Rubio, H. Sagawa, P. Sarriguren, C. Scholl, Y. Shimbara, Y. Shimizu, G. Susoy T. Suzuki, Y. Tameshige, A. Tamii, J.H. Thies, M. Uchida, T.Wakasa, M. Yosoi, R. G. T. Zegers, K. O. Zell, and J. Zenihiro
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.112502) - Quantum Monte Carlo Calculations of Light Nuclei Using Chiral Potentials. Phys. Rev. Lett. 113 (2014) 192501
J. E. Lynn, J. Carlson, E. Epelbaum, S. Gandolfi, A. Gezerlis, and A. Schwenk
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.192501) - Supernova Matter at Subnuclear Densities as a Resonant Fermi Gas: Enhancement of Neutrino Rates. Phys. Rev. Lett. 113 (2014) 081101
A. Bartl, C. J. Pethick, and A. Schwenk
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.081101) - Fullerene C60 Simulated with a Superconducting Microwave Resonator and Test of the Atiyah- Singer Index Theorem. Phys. Rev. Lett. 115 (2015) 026801
B. Dietz, T. Klaus, M. Miski-Oglu, A. Richter, M. Bischoff, L. von Smekal, and J. Wambach
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.026801) - Neutron and weak-charge distributions of the 48Ca nucleus. Nature Physics (2015)
G. Hagen, A. Ekström, C. Forssén, G.R. Jansen, W. Nazarewicz, T.Papenbrock, K.A.Wendt, S. Bacca, N. Barnea, B. Carlsson, C. Drischler, K. Hebeler, M. Hjorth-Jensen, M. Miorelli, G. Orlandini, A. Schwenk, J. Simonis
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/NPHYS3529) - Non-Quenched Isoscalar Spin-M1 Excitations in sd-Shell Nuclei. Phys. Rev. Lett. 115 (2015) 102501
H. Matsubara, A. Tamii, H. Nakada, T. Adachi, J. Carter, M. Dozono, H. Fujita, K.Fujita, Y. Fujita, K. Hatanaka, W. Horiuchi, M. Itoh, T. Kawabata, S. Kuroita, Y. Maeda, P. Navratil, P. von Neumann-Cosel, R. Neveling, H. Okamura, L. Popescu, I. Poltoratska, A. Richter, B. Rubio, H. Sakaguchi, S. Sakaguchi, Y. Sakemi, Y. Sasamoto, Y. Shimbara, Y. Shimizu, F.D. Smit, K. Suda, Y. Tameshige, H. Tokieda, Y. Yamada, M. Yosoi, J. Zenihiro
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.102501) - Observation of the competitive double-gamma nuclear decay. Nature 526 (2015) 406
C. Walz, H. Scheit, N. Pietralla, T. Aumann, R. Lefol, V.Yu. Ponomarev
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature15543)
