Eines der größten Rätsel des 21. Jahrhunderts: Wie entstanden die Elemente nach dem Urknall?

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Ein seit langem bestehendes Rätsel der Kernphysik lautet: Warum besteht das Universum aus genau dem Material, das wir um uns herum sehen? Mit anderen Worten: Warum besteht es aus „diesem“ Ding und nicht aus etwas anderem? Von besonderem Interesse sind die physikalischen Prozesse, die für die Entstehung schwerer Elemente wie Gold, Platin und Uran verantwortlich sind und die vermutlich bei der Verschmelzung von Neutronensternen und Supernova-Explosionen auftreten. Wissenschaftler des Argonne National Laboratory (DOE) des US-Energieministeriums, die ein internationales kernphysikalisches Experiment an der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) leiteten, veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.

Das Experiment nutzt eine neue, am Argonne National Laboratory entwickelte Technologie, um die Eigenschaften und Ursprünge schwerer Elemente im Universum zu untersuchen. Die Forschung könnte wichtige Erkenntnisse zu den Prozessen liefern, die zur Entstehung „exotischer“ Atomkerne führen, und wird zur Entwicklung von Modellen stellarer Ereignisse und des frühen Universums beitragen. Die an der Zusammenarbeit beteiligten Kernphysiker waren die ersten, die die Neutronenschalenstruktur eines Kerns mit weniger Protonen als Blei und mehr als 126 Neutronen beobachteten, einer „magischen Zahl“ im Bereich der Kernphysik. Bei diesen magischen Zahlen (8, 20, 28, 50 und 126 sind kanonische Werte) nimmt die Stabilität des Kerns zu, genau wie bei einem Edelgas mit geschlossener Elektronenhülle.

Kerne mit Neutronenzahlen über der magischen Zahl 126 blieben weitgehend unentdeckt, weil ihre Herstellung schwierig ist. Die Kenntnis ihres Verhaltens ist von entscheidender Bedeutung für das Verständnis des schnellen Neutroneneinfangprozesses (r-Prozess), der viele der schweren Elemente im Universum erzeugt. Man geht davon aus, dass der r-Prozess unter extremen Sternbedingungen auftritt, etwa bei der Verschmelzung von Neutronensternen oder Supernovas. In diesen neutronenreichen Umgebungen können Atomkerne schnell wachsen und Neutronen einfangen, bevor diese zerfallen und neue, schwerere Elemente bilden können. Bei diesem Experiment lag der Schwerpunkt auf einem Quecksilberisotop, Hg2O7.

Untersuchungen von Hg2O7 könnten dazu beitragen, Licht auf die Eigenschaften seiner nahen Nachbarn zu werfen, also auf die Kerne, die direkt an Schlüsselaspekten des r-Prozesses beteiligt sind. „Eine der größten Fragen dieses Jahrhunderts ist, wie die Elemente zu Beginn des Universums, nach dem Urknall, entstanden sind“, sagte der Argonne-Physiker Ben Kay, der leitende Wissenschaftler der Studie. „Das ist schwierig zu untersuchen, weil wir eine Supernova nicht einfach von der Erde ausgraben können. Deshalb müssen wir diese extremen Umgebungen schaffen und die Reaktionen untersuchen, die in ihnen auftreten.“ Um die Struktur von Hg2O7 zu untersuchen, nutzten die Forscher zunächst die HIE-Isolde-Anlage am CERN im schweizerischen Genf.

Im Bild: Im Inneren des Isolde-Solenoidspektrometers am CERN

Ein hochenergetischer Protonenstrahl wird auf ein geschmolzenes Bleiziel abgefeuert und die daraus resultierenden Kollisionen erzeugen Hunderte exotischer und radioaktiver Isotope. Anschließend wurden die Hg2O6-Kerne von den anderen Fragmenten getrennt und mithilfe des HIE-ISOLDE-Beschleunigers des CERN ein Strahl mit der höchsten Energie erzeugt, die jemals in dieser Beschleunigeranlage erreicht wurde. Der Strahl wurde dann auf ein Deuteriumziel im neuen ISOLDES-Solenoidspektrometer (ISS) fokussiert. Kein anderes Gerät kann Strahlen aus Quecksilberatomen dieser Qualität erzeugen und auf so hohe Energien beschleunigen.

Dies, kombiniert mit der hervorragenden Auflösung der Internationalen Raumstation, ermöglichte es uns, zum ersten Mal das Spektrum der angeregten Zustände von Hg2O7 zu beobachten. Die Internationale Raumstation verfügt über ein neu entwickeltes magnetisches Spektrometer, mit dem Kernphysiker Fälle erkennen, in denen Hg2O6-Kerne Neutronen einfangen und zu Hg2O7 werden. Der Solenoidmagnet des Spektrometers ist ein recycelter 4-Tesla-Supraleiter-Magnetresonanzmagnet aus einem australischen Krankenhaus. Es wurde an CERN übertragen und bei ISOLDE installiert dank einer von Großbritannien geleiteten Zusammenarbeit zwischen den Universitäten Liverpool, Manchester, Daresbury Laboratory und der KU Leuven in Belgien.

Deuterium ist ein seltenes schweres Wasserstoffisotop, das aus Protonen und Neutronen besteht. Wenn Hg2O6 auf dem Deuteriumziel ein Neutron einfängt, stößt das Proton zurück. Die bei diesen Reaktionen freigesetzten Protonen gelangen zu Detektoren auf der Internationalen Raumstation, wo ihre Energie und Position wichtige Informationen über die Struktur und den Zusammenhalt des Atomkerns liefern. Diese Eigenschaften haben einen großen Einfluss auf den r-Prozess und die Ergebnisse können als Leitfaden für wichtige Berechnungen in Modellen der nuklearen Astrophysik dienen. Die ISS verwendet ein bahnbrechendes Konzept, das von Argonne Distinguished Fellow John Schiffer entwickelt wurde.

Das Konzept basiert auf dem Helical Orbiting Spectrometer HELIOS des Labors, einem Instrument, das die Entwicklung des Spektrometers der Internationalen Raumstation inspirierte. Die Erforschung nuklearer Eigenschaften, die einst unmöglich zu untersuchen waren, wird in Argonne dank HELIOS seit 2008 fortgesetzt. Die ISOLDE-Anlage des CERN kann Atomstrahlen erzeugen, die jene ergänzen, die Argonne erzeugen kann. Im vergangenen Jahrhundert konnten Kernphysiker durch die Untersuchung von Kollisionen, bei denen Strahlen leichter Ionen auf schwere Ziele treffen, Informationen über Atomkerne gewinnen.

Wenn jedoch ein schwerer Strahl auf ein leichtes Ziel trifft, werden die physikalischen Zusammenstöße verzerrt und sind schwieriger zu analysieren. Das HELIOS-Konzept von Argonne ist eine Lösung zur Beseitigung dieser Verzerrung. Wenn der Strahl auf ein empfindliches Ziel trifft, ändert sich die Kinematik und das resultierende Spektrum wird komprimiert. Wenn die Kollision jedoch im Inneren des Magneten stattfindet, bewegen sich die emittierten Protonen in einem spiralförmigen Muster auf den Detektor zu. Durch einen mathematischen „Trick“ wird die kinematische Kompression entfaltet, was zu einem unkomprimierten Spektrum führt, das die zugrunde liegende Kernstruktur enthüllt.

Diese erste Analyse von Daten aus dem CERN-Experiment bestätigt die theoretischen Vorhersagen aktueller Kernmodelle. Das Team plant, diese neuen Möglichkeiten zu nutzen, um andere Kerne in der Hg207-Region zu untersuchen und so tiefere Einblicke in unbekannte Bereiche der Kernphysik und des r-Prozesses zu gewinnen.

Boco Park | Forschung/Von: Argonne National Laboratory

Referenzzeitschrift: Physical Review Letters

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