Quelle: HZDR – Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf.

Die Wissenschaftler*innen im Bereich der nuklearen Astrophysik wollen die Entstehung der Elemente im Universum seit Anbeginn der Zeit erklären. Die dabei erdachten Modelle fußen auf Kenngrößen, die sie aus Messdaten gewinnen, etwa die kosmische Dichte der aus Atomen aufgebauten Materie oder die Häufigkeit der Elemente im All. Eine wichtige Rolle spielen hier die Reaktionen leichter Atomkerne miteinander, unmittelbar nach dem Urknall. Ein Team unter führender Beteiligung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat nun, wie das Fachmagazin Nature (DOI: 10.1038/s41586-020-2878-4) berichtet, eine der zentralen Reaktionen mit bisher unerreichter Genauigkeit untersucht: die Fusion eines Wasserstoffkerns, dem Proton, mit dem Kern des Wasserstoffisotops Deuterium.

Die Astrophysiker*innen aus Italien, Deutschland, Schottland und Ungarn haben am Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics (LUNA) am Gran Sasso d’Italia diese Schlüsselreaktion der sogenannten primordialen Nukleosynthese untersucht. „So bezeichnen wir die Abfolge von Kernaufbaureaktionen, die zur Entstehung der leichtesten chemischen Elemente geführt hat, nur Sekunden nach dem Urknall. Bei dem von uns konkret untersuchten Prozess wird der Kern des Wasserstoffisotops Deuterium mit einem Proton beschossen. Dabei entsteht Helium-3, ein stabiles Helium-Isotop, sowie ein Gammaquant, das wir mit unserem Reinstgermanium-Detektor nachweisen können“, erläutert Doktorand Klaus Stöckel vom Institut für Strahlenphysik am HZDR das experimentelle Vorgehen.

Die Forscher*innen waren vor allem am sogenannten Wirkungsquerschnitt der Reaktion interessiert, der Auskunft über die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens gibt. Diesen Parameter haben sie nun mit beispielloser Präzision bestimmt. Zuvor hatte es nur wenige Daten im Bereich der Teilchenenergien gegeben, die für Reaktionen kurz nach dem Urknall relevant sind. Außerdem war die dabei erzielte Messunsicherheit zu hoch, um bei der Modellierung der Prozesse verlässlich genutzt werden zu können.

Primordiales Nuklearzeitalter: Synthese-Kickstart im Ur-Kosmos
Protonen und Neutronen, die Bausteine aller chemischen Elemente, entstanden in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall. Als sich das Universum weiter ausdehnte und dabei abkühlte, bildete sich zunächst Deuterium, schwerer Wasserstoff. In weiteren Reaktionen entstanden andere Atomkerne wie Helium-3 und Helium-4. Drei Minuten nach dem Urknall bestand das Universum aus rund 75 Prozent Wasserstoff und 25 Prozent Helium-4, mit Spuren anderer leichter Elemente.

An diesem Verhältnis hat sich im Wesentlichen bis heute nichts geändert. Die erstaunlich genaue Vorhersage dieser Verteilung durch die Theorie der primordialen Nukleosynthese ist gleichzeitig eines der stärksten Argumente für ihre Richtigkeit: Sie bildet heute eins der Fundamente des Standardmodells der Kosmologie, das unsere Vorstellungen von der Entwicklung des Universums vereint.

In der kosmischen Stille des Gran Sasso
Um Wirkungsquerschnitte von Urknall-relevanten Kernreaktionen genau messen zu können, benötigen die Astrophysiker*innen eine effiziente Abschirmung vor kosmischer Strahlung, deren Hintergrundsignale die Ergebnisse verfälschen können. Das gelingt im unterirdischen LUNA-Labor am Gran Sasso. Das sich 1400 Meter über der Einrichtung auftürmende Sedimentgestein der Abruzzen bietet ideale Bedingungen für das Experiment: Hier können die Wissenschaftler*innen ungestört von äußeren Strahlungseinflüssen Prozesse nachstellen, die während der ersten Kernverschmelzungen des Universums abliefen.

Das LUNA-Team hat mit seinen Messungen die Uhr bis auf wenige Minuten nach der Geburt unseres Universums zurückgedreht: „Die Menge des gebildeten primordialen Deuteriums wird hauptsächlich durch die Fusionsreaktion bestimmt, die wir hier in ausgedehnten Messkampagnen untersucht haben. Die ermittelte Dichte der gewöhnlichen, aus Protonen und Neutronen bestehenden Materie stimmt hervorragend mit Werten überein, die Astrophysikerinnen und Astrophysiker zuvor aus ganz andersartigen Methoden ableiten konnten, wie etwa aus der Vermessung der kosmischen Hintergrundstrahlung oder der Untersuchung der Deuterium-Häufigkeit in bestimmten Wasserstoffgaswolken“, fasst HZDR-Projektleiter Dr. Daniel Bemmerer zusammen.

Die Ergebnisse der Studie ermöglichen es den Forscher*innen nun, eine genaue Bestimmung der Dichte der gewöhnlichen Materie im Universum vorzunehmen, die alles umfasst, was wir kennen – einschließlich des Lebens auf unserem Planeten. Laut aktuellem Wissensstand macht gewöhnliche Materie demnach fünf Prozent des Gesamtuniversums aus – die verbleibenden 95 Prozent werden unsichtbarer dunkler Materie und dunkler Energie zugerechnet.

Das Team wird seine wissenschaftliche Tätigkeit im nächsten Jahrzehnt mit dem LUNA-MV-Projekt fortsetzen, das sich auf die Untersuchung von Schlüsselreaktionen konzentriert, die für das Verständnis der chemischen Zusammensetzung des Universums und der Nukleosynthese der schweren Elemente wichtig sind. Die Wissenschaftler*innen setzen dabei auch auf komplementäre Experimente im Untertagelabor Felsenkeller, das vom HZDR und der TU Dresden gemeinsam betrieben wird.

Die Arbeiten wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert.

Text: Dr. Bernd Schröder

Publikation:
V. Mossa, K. Stöckel, F. Cavanna, F. Ferraro, M. Aliotta, F. Barile, D. Bemmerer, A. Best, A. Boeltzig, C. Broggini, C. G. Bruno, A. Caciolli, T. Chillery, G. F. Ciani, P. Corvisiero, L. Csedreki, T. Davinson, R. Depalo, A. Di Leva, Z. Elekes, E. M. Fiore, A. Formicola, Zs. Fülöp, G. Gervino, A. Guglielmetti, C. Gustavino, G. Gyürky, G. Imbriani, M. Junker, A. Kievsky, I. Kochanek, M. Lugaro, L. E. Marcucci, G. Mangano, P. Marigo, E. Masha, R. Menegazzo, F. R. Pantaleo, V. Paticchio, R. Perrino, D. Piatti, O. Pisanti, P. Prati, L. Schiavulli, O. Straniero, T. Szücs, M. P. Takács, D. Trezzi, M. Viviani, S. Zavatarelli, The baryon density of the Universe from an improved rate of deuterium burning, in Nature, 2020 (DOI:10.1038/s41586-020-2878-4)

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• Urknall

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Quelle: Forschungszentrum Jülich.

Mit dem Update konnten die Forscher nun auf 53 gemessene Ereignisse zurückgreifen – beinahe doppelt so viele wie bei der vorherigen Auswertung der Daten des Borexino-Detektors, der 1.400 Meter tief unter der Erdoberfläche im Gran-Sasso-Massiv bei Rom gelegen ist. Die Ergebnisse geben einen exklusiven Einblick in Prozesse und Verhältnisse im Erdinneren, die bis heute immer noch rätselhaft sind.

Unser Planet leuchtet, auch wenn es mit dem bloßen Auge nicht zu sehen ist. Grund dafür sind Geoneutrinos, die in radioaktiven Zerfallsprozessen im Innern der Erde entstehen. Jede Sekunde durchdringen etwa eine Million davon jeden Quadratzentimeter der Erdoberfläche. Das Borexino-Instrument im größten Untergrundlabor der Welt, das Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italien, ist einer der wenigen Detektoren weltweit, die in der Lage sind, die spukhaften Teilchen zu erfassen.

Bereits seit 2007, also seit über zehn Jahren, sammeln Forscher mit Borexino Daten über Neutrinos. Bis 2019 konnten sie doppelt so viele Ereignisse wie zum Zeitpunkt der letzten Auswertung im Jahr 2015 registrieren – und die Unsicherheit der Messungen von 27 auf 18 Prozent herunterschrauben, was auch auf neue Analysemethoden zurückzuführen ist.

„Geoneutrinos sind die einzigen direkten Spuren der radioaktiven Zerfälle, die irgendwo im Inneren der Erde stattfinden und die einen noch unbekannten Teil der Energie erzeugen, die die gesamte Dynamik unseres Planeten antreibt“, erklärt Livia Ludhova, eine der beiden aktuellen wissenschaftlichen Koordinatoren von Borexino und Leiterin der Neutrino-Gruppe des Instituts für Kernphysik am Forschungszentrum Jülich.

Den Forschern der Borexino-Kollaboration ist es gelungen, das Signal von Geoneutrinos aus dem Erdmantel, der sich unter der Erdkruste befindet, über den bekannten Beitrag des oberen Erdmantels und der Erdkruste – der so genannten Lithosphäre – zu bestimmen.
Die Verhältnisse im Inneren der Erde sind in vielerlei Hinsicht einzigartig im gesamten Sonnensystem. Man denke etwa an das intensive Magnetfeld, die unablässige vulkanische Aktivität, die Bewegung der tektonischen Platten und die sogenannte Mantelkonvektion. Die Frage, aus welchen Quellen sich die innere Wärme der Erde speist, beschäftigt Wissenschaftler bereits seit über 200 Jahren.

„Die Hypothese, dass in der Tiefe keine Radioaktivität mehr vorhanden ist, kann jetzt mit 99-prozentiger Sicherheit ausgeschlossen werden. Das ermöglicht es nun zum ersten Mal, einen Mindestgrenzwert für die Uran und Thorium Häufigkeiten im Erdmantel festzulegen“, konstatiert Livia Ludhova.

Die Werte sind für unterschiedliche Erdmodell-Rechnungen interessant. So lässt sich mit hoher, konkret: 85-prozentiger Wahrscheinlichkeit daraus ableiten, dass radioaktive Zerfallsprozesse im Inneren der Erde mehr als die Hälfte der inneren Wärme der Erde erzeugen. Die andere Hälfte stammt zum Großteil noch aus der ursprünglichen Formation unseres Planeten. Radioaktive Prozesse in der Erde stellen demnach einen nicht zu vernachlässigenden Teil der Energie bereit, die Vulkane, Erdbeben und das Erdmagnetfeld antreibt.

Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin Phys. Rev. D publiziert. Die Veröffentlichung stellt über die neuen Resultate hinaus eine umfassende physikalische und geologische Analyse vor, die für die nächste Generation von Flüssig-Szintillator-Detektoren zur Messung von Geoneutrinos hilfreich sein wird. Die nächste Herausforderung für die Forschung mit Geoneutrinos besteht nun darin, Geoneutrinos aus dem Erdmantel mit größerer Präzision zu messen: vielleicht mit Detektoren, die an verschiedenen Positionen auf unserem Planeten verteilt sind. Ein solcher Detektor wird der JUNO-Detektor in China sein, an dem die Jülicher Neutrino-Gruppe ebenfalls beteiligt ist. Der Detektor wird um einen Faktor 70 größer sein als Borexino, was dazu beiträgt, dass schon in einer kurzen Zeitspanne eine höhere statistische Signifikanz erreicht werden kann.

Originalpublikation:

Comprehensive geoneutrino analysis with Borexino
M. Agostini, K. Altenmüller, S. Appel, V. Atroshchenko, Z. Bagdasarian, D. Basilico, G. Bellini, J. Benziger, D. Bick, G. Bonfini, D. Bravo, B. Caccianiga, F. Calaprice, A. Caminata, L. Cappelli, P. Cavalcante, F. Cavanna, A. Chepurnov, K. Choi, D. D’Angelo, S. Davini, A. Derbin, A. Di Giacinto, V. Di Marcello, X.F. Ding,h,l, A. Di Ludovico, L. Di Noto, I. Drachnev, G. Fiorentini, A. Formozov, D. Franco, F. Gabriele, C. Galbiati, M. Gschwender, C. Ghiano, M. Giammarchi, A. Goretti, M. Gromov, D. Guanti, C. Hagner, E. Hungerford, Aldo Ianni, Andrea Ianni, A. Jany, D. Jeschke, S. Kumaran, V. Kobychev, G. Korga, T. Lachenmaier, T. Lasserre, M. Laubenstein, E. Litvinovich, P. Lombardi, I. Lomskaya, L. Ludhova, G. Lukyanchenko, L. Lukyanchenko, I. Machulin, F. Mantovani, G. Manuzio, S. Marcocci, J. Maricic, J. Martyn, E. Meroni, M. Meyer, L. Miramonti, M. Misiaszek, M. Montuschi, V. Muratova, B. Neumair, M. Nieslony, L. Oberauer, A. Onillon, V. Orekhov, F. Ortica, M. Pallavicini, L. Papp, Ö. Penek, L. Pietrofaccia, N. Pilipenko, A. Pocar, G. Raikov, M.T. Ranalli, G. Ranucci, A. Razeto, A. Re, M. Redchuk,w, B. Ricci, A. Romani, N. Rossi,1, S. Rottenanger, S. Schönert, D. Semenov, M. Skorokhvatov, O. Smirnov, A. Sotnikov, V. Strati, Y. Suvorov, R. Tartaglia, G. Testera, J. Thurn, E. Unzhakov, A. Vishneva, M. Vivier, R.B. Vogelaar, F. von Feilitzsch, M. Wojcik,M. Wurm, O. Zaimidoroga, S. Zavatarelli, K. Zuber, G. Zuzel

Phys. Rev. D (21 January 2020), DOI: 10.1103/PhysRevD.101.012009

Synopsis in Physics: Earth As a Neutrino Source (21 January 2020)

Weitere Informationen:

Die Ergebnisse gehen auf eine großangelegte Zusammenarbeit der gesamten Borexino-Kollaboration zurück. Ein großer Teil der Datenanalyse wurde von Sindhujha Kumaran im Rahmen ihrer Masterarbeit und ersten Teils ihrer Doktorarbeit unter der Leitung von Livia Ludhova erbracht. Darüber hinaus gibt es noch 3 weitere Koautoren, nämlich Zara Bagdasarian, Ömer Penek und Mariia Redchuk, die ebenfalls zur Neutrinogruppe am Jülicher Kernphysikalischen Institut (IKP) gehören.

Neutrino-Gruppe, Institut für Kernphysik, Forschungszentrum Jülich

Neutrino-Physik, Institut für Kernphysik, Forschungszentrum Jülich

Borexino-Experiment

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• Neutrinos

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