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Konrad Schmidt
Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Experimentelle Nukleare Astrophysik
Academic Staff

Experimental Nuclear Astrophysics
© NASA, ESA, and the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration
Über mich
About me

Ich bin wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Kern- und Teilchenphysik der TU Dresden. Außerdem bin ich mit der Abteilung Kernphysik am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) assoziiert und Mitglied des Joint Institute for Nuclear Astrophysics - Center for the Evolution of the Elements (JINA-CEE), USA. Darüber hinaus bin ich Mitglied des erweiterten Core Teams der ChETEC (Chemical Elements as Tracers of the Evolution of the Cosmos) COST Action.

I am member of the academic staff in the Institute of Nuclear and Particle Physics at TU Dresden. In addition, I am associated with the Division of Nuclear Physics at the Helmholtz-Center Dresden-Rossendorf (HZDR) and I am affiliated with the Joint Institute for Nuclear Astrophysics - Center for the Evolution of the Elements (JINA-CEE). Further, I am member of the extended core team of the ChETEC (Chemical Elements as Tracers of the Evolution of the Cosmos) COST Action.

Meine Forschung richtet sich auf Experimente zum Verständnis der Prozesse zur Entstehung der Elemente. Insbesondere bin ich interessiert an Kernreaktionen im inneren der Sonne und in schwereren Sternen, unmittelbar nach dem Urknall und im Zusammenhang mit explodierenden Sternen, wie sogenannte Supernovae, Röntgenstrahl-Blitze und andere Szenarien. Mein Feld ist die experimentelle nukleare Astrophysik, wo ich Reaktionswahrscheinlichkeiten mit niederenergetischen Kernphysikexperimenten untersuche.

My research focuses on experiments understanding the processes forming the elements. In particular I am interested in nuclear reactions inside the sun and heavier stars, after the Big Bang, and related to exploding stars, as Supernovae, X-ray bursts and other scenarios. My field is experimental nuclear astrophysics where I investigate reaction probabilities with low-energy nuclear physics experiments.

CV Publikationen

CV publications

KS

© IKTP

Forschung
Research
Im Zusammenhang mit Supernovae
Supernova related

Titan-44 ist ein radioaktives Isotop des 22. Elements im Periodensystem. Es entsteht in Supernovae und kann detektiert werden in ihren Überresten, wie z.B. Kassiopeia A (siehe Abbildung). Mit der Hilfe von satellitengestützten Gammastrahlenspektrometern kann das Titan zusammen mit radioaktivem Eisen, Silizium, Magnesium und anderen beobachtet werden.

Mit einer Halbwertszeit des Titan-44 von circa 60 Jahren und einer Supernova-Rate von zwei bis drei je Jahrhundert, werden mehrere Supernova-Überreste erwartet, eine Titansignatur zu zeigen. Jedoch, zur Überraschung von Astrophysikern, wurde bisher Strahlung vom Zerfall von Titan-44 nur von einem Supernova-Überrest in der Milchstraße gefunden, Kassiopeia A. Mehrere andere Überreste von jüngst untersuchten Supernovae zeigten nicht die erwartete Emission. Dieser Widerspruch führt zu einem spannenden Problem in der Astrophysik.

Um zu überprüfen ob derzeitig anerkannte Supernova-Modelle korrekt sind, müssen Kernreaktionsraten bestimmt werden. Speziell dafür vorgesehene Sensibilitätsstudien haben gezeigt, dass die Reaktionsrate von Helium-4 mit Calcium-40 eine der wichtigsten Parameter dieser Modelle ist.

In diesem Zusammenhang studiere ich einzelne Resonanzen in dieser Reaktion mit stabilen, hoch intensiven, niederenergetischen Ionenstrahlen bereitgestellt durch das 3-MV Tandetron des Ionenstrahlzentrums (IBC) am Hauptstandort des HZDR, durch die Plattform AIFIRA (Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine) am Centre Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan (CENBG), Frankreich, und am neuen unterirdischen Beschleunigerlabor Dresden Felsenkeller. Dünne Calciumscheiben wurden hergestellt am GSI Targetlabor und am Institut für Kernforschung (ATOMKI) der Ungarischen Akademie der Wissenschafen (MTA) um Resonanzstärken zu bestimmen mit Methoden der Gammaspektroskopie während und der Aktivitätsbestimmung nach der Bestrahlung, sowie voraussichtlich auch durch Beschleuniger-Massenspektrometrie.

Titanium-44 is a radioactive isotope of the 22nd element in the periodic table. It is created in supernovae and can be detected in their remnants, as e.g. Cassiopeia A (see figure). With the help of satellite-based gamma-ray spectrometers, titanium can be observed together with radioactive iron, silicon, magnesium and more.

With a titanium-44 half-life of about 60 years and a supernova rate in our Galaxy between two and three per century, several supernova remnants are expected to show signatures of titanium. However, much to the surprise of astrophysicists, so far radiation from the decay of titanium-44 has been observed only for one supernova remnant in the Milky Way, Cassiopeia A. Several other remnants of recently studied supernovae did not show the expected emission. This contradiction leads to an exciting question in astrophysics.

In order to examine whether the currently accepted supernova models are correct nuclear reaction rates need to be determined. Dedicated sensitivity studies have shown that the reaction rate of helium-4 with calcium-40 is one of the most important parameters of these models.

In this context, I study individual resonances in this reaction with stable, high intensity, low energy ion beams provided by the 3-MV Tandetron at the Ion Beam Center (IBC) on the main campus of HZDR, by the platform AIFIRA (Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine) at the Centre Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan (CENBG), France, and at the new shallow-underground accelerator laboratory in the Dresden Felsenkeller. Thin calcium targets have been fabricated at the GSI target laboratory and at the Institute for Nuclear Research (ATOMKI), Hungarian Academy of Sciences (MTA) to determine the resonance strengths with methods as i.e. in-beam gamma-spectroscopy, offline counting after activation and presumably also accelerator mass spectrometry.

Im Zusammenhang mit Röntgenstrahl-Blitzen
X-ray burst related

Wenn ein Neutronenstern die äußere Hülle seines Doppelsterns akkretiert, sammelt sich das Material, größtenteils Wasserstoff und Helium, auf der Oberfläche des Neutronensterns an, was schließlich zu einer thermonuklearen Zündung führt. Das explosive Brennen der akkretierten Schicht wird als Röntgenstrahl-Blitz beobachtet. Die Explosion zerreißt die Akkretionsscheibe aber lässt den Neutronenstern relativ unversehrt, sodass der Prozess sich selbst innerhalb von Wochen, Tagen oder sogar Stunden wiederholen kann.

Während der thermonuklearen Explosion werden Temperaturen von mehr als eine Milliarden Kelvin erreicht, die einige Reaktionsketten auslösen, wie den Drei-Alpha-Prozess, den heißen Bethe-Weizsäcker-Zyklus, der in den Alpha-Proton-Prozess ausbricht, welcher wiederum zum Schnellen Protoneneinfang-Prozess führt.

Zugehörige, zuvor unzugängliche Reaktionen können mit dem JENSA (Düsenstrahl-Experimente in Kernstruktur- und Kernastrophysik ) Gasstrahl-Ziel am NSCL (Nationales Supraleitendes Zyklotron-Labor) auf dem Kampus der Michigan State University (MSU), USA. JENSA ist eine institutionenübergreifende Kooperation, die vom Oak Ridge National Laboratory (ORNL) angeführt wird.

Wird JENSA alleinstehend betrieben, ermöglicht es Reaktionen zu untersuchen, die geladene Teilchen emittieren, wie z.B. Alpha-Proton-Reaktionen. Außerdem ist JENSA als Hauptziel des Rückstoßkernabscheiders für Einfangreaktionen, SECAR, an der Facility for Rare Isotope beams (FRIB) geplant. In dieser Konfiguration wird es JENSA ermöglichen, Protonen- und Alpha-Einfangreaktionen zu studieren und damit auf das Verständnis von Röntgenstrahl-Blitzen abzielen.

When a neutron star accretes the outer layers of its binary companion, material, mostly hydrogen and helium, accumulates on the neutron star surface resulting eventually in a thermonuclear ignition and runaway. The explosive buring of the accreted layer is observed as an X-ray burst. The burst disrupts the accretion disk but leaves the neutron star relatively unscathed, such that the process can repeat itself on the order of weeks, days, or even hours.

During the thermonuclear explosion, temperatures of more than one billion Kelvin can be achieved, triggering several reaction chains, as the triple-alpha process, the Hot CNO cycle that breaks out into the alpha-proton process that in turn leads to the rapid proton capture process.

Related, previously inaccessible reactions can be studied with the Jet Experiments in Nuclear Structure and Astrophysics (JENSA) gas-jet target at the National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) on the campus of Michigan State University (MSU), USA. JENSA is a multi-institutional collaboration led by Oak Ridge National Laboratory (ORNL).

In a stand-alone mode, JENSA enables to study reactions emitting charged particles as alpha-proton reactions. Further, JENSA is planned to be the main target of the Separator for Capture Reactions (SECAR) at the Facility for Rare Isotope beams (FRIB). In this configuration, JENSA will enable to study proton and alpha capture reactions and hence aiming at understanding X-ray bursts.

Im Zusammenhang mit der Sonne
Sun related

Mein Interesse gilt auch der Messung von Fusionsreaktionen im Inneren der Sonne über einen weiten Energiebereich, was notwendig ist um das Wasserstoffbrennen der Proton-Proton-Kette und des Bethe-Weizsäcker-Zykluses genau zu verstehen. Für diese Untersuchungen werden hoch intensive Wasserstoffionenstrahlen auf Kohlenstoff- und Stickstoffziele oder, in inverser Kinematik, Kohlenstoff- und Stickstoffionenstrahlen durch den neuen Beschleuniger im Untergrundlabor Dresden Felsenkeller bereitgestellt. Resultierende neue nukleare Wechselwirkungswahrscheinlichkeiten zielen darauf ab, Elementenhäufigkeiten von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff im Sonnenkern einzugrenzen, während der Fluss der solaren CNO-Neutrinos mit Detektoren wie z.B. Borexino gemessen wird.

Auch wissenschaftlich sehr interessant ist die Reaktion von Helium-3 mit Helium-4 zu Beryllium-7. Diese Reaktion ist für die Fusionsreaktionen sowohl im inneren der Sonne, als auch in der Urknall-Nukleosynthese wichtig. Für die Messung dieser Reaktion am Beschleuniger im Dresden Felsenkeller entwickle ich zur Zeit ein Gastarget. Dieses soll sowohl in Form eines ausgedehnten Gasvolumens, als auch eines sehr dünnen Gaswandstrahls betrieben werden.

I am also interested in measuring solar fusion reactions over a wide energy range that is necessary to precisely understand hydrogen burning of the proton-proton-chains and the CNO-cycle. For these studies, high-intensity hydrogen ion beams on carbon and nitrogen targets, or in inverse kinematics, carbon and nitrogen ion beams, are provided by the new accelerator in the shallow-underground laboratory Dresden Felsenkeller. Resulting new nuclear cross sections are aiming at constraining the carbon, nitrogen and oxygen elemental abundances in the solar core while measuring the flux of solar CNO neutrinos with detectors as e.g. Borexino.

Another interesting science case I want to study with the Felsenkeller accelerator is the reaction of helium-3 with helium-4 to beryllium-7. This reaction is important to understand solar fusion reactions Big Bang nucleosynthesis. In order to measure this reaction, I'm currently developing agas target that is intended to be operated as extended gasvolume and as extremely thin gas-wall-jet.

Lehre
Teaching
Sommersemester 2019 Lesender der Vorlesung Nukleare Astrophysik zusammen mit Prof. K. Zuber
Übungsleiter zur Vorlesung Nukleare Astrophysik
Übungsleiter zur Vorlesung Moderne Kosmologie von Prof. Dr. B. Kämpfer und PD Dr. D. Bemmerer
Seminarleiter im Proseminar Experimentelle Kern- und Teilchenphysik
Wintersemester 2018/19 Betreuer im Fortgeschrittenenpraktikum Transmission thermischer Neutronen (TR)
Sommersemester 2013 Betreuer im Grundpraktikum Aktivitätsbestimmung (AK)
Sommersemester 2012 Übungsleiter zur Vorlesung Kosmologie und Astroteilchenphysik von Prof. Dr. B. Kämpfer und PD Dr. D. Bemmerer
Sommersemester 2011 Übungsleiter zur Vorlesung Kosmologie und Astroteilchenphysik von Prof. Dr. B. Kämpfer und Dr. D. Bemmerer
Wintersemester 2007/08 Übungsleiter zur Vorlesung Mathematik I (Verkehrsingenieurwesen) von Prof. Dr. M. Ludwig
Summer semester 2019 Lecturer of the weekly lecture series on Nuclear Astrophysics jointly with Prof. K. Zuber
Exercise instructor of the weekly lecture series on Nuclear Astrophysics
Exercise instructor of the weekly lecture series on Modern Cosmology by Prof. Dr. B. Kämpfer and PD Dr. D. Bemmerer
Seminar faciliator of the introductory seminar course on Experimental Nuclear and Particle Physics of second-year students
Winter semester 2018/19 Supervisor of the advanced laboratory course on Transmission of thermal neutrons (TR)
Summer semester 2013 Supervisor of the basic laboratory course on Activity determination (AK)
Summer semester 2012 Exercise instructor of the weekly lecture series on Cosmology and Astroparticle Physics by Prof. Dr. B. Kämpfer and PD Dr. D. Bemmerer
Summer semester 2011 Exercise instructor of the weekly lecture series on Cosmology and Astroparticle Physics by Prof. Dr. B. Kämpfer and Dr. D. Bemmerer
Winter semester 2007/08 Exercise instructor of the weekly lecture series on Mathematics I (Transport Engineering) for first-year students by Prof. Dr. M. Ludwig
Kontaktieren Sie mich
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Dr. Konrad Schmidt
Institut für Kern- und Teilchenphysik
TU Dresden
Zellescher Weg 19
01069 Dresden
(0351) 463 33166
konrad.schmidt1@tu-dresden.de
Dr. Konrad Schmidt
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