Quelle: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung 2. August 2024.

2. August 2024 – Der Startschuss für die Installation der FAIR-Beschleunigermaschine ist gefallen. Die hoch präzisen Montagearbeiten in den Gebäuden der internationalen Beschleunigeranlage FAIR in Darmstadt haben begonnen: Die ersten tonnenschweren Magnete wurden erfolgreich in dem ringförmigen Tunnel, 17 Meter unter der Erde, positioniert. Dies markiert einen entscheidenden Fortschritt in der Realisierung des hochmodernen Beschleunigers, der Ionen aller Elemente bis auf 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen wird. Die Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) wird am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in internationaler Zusammenarbeit errichtet.

FAIR ist eines der größten Bauvorhaben und eine der innovativsten Hightech-Anlagen für die Forschung weltweit. Von der FAIR-Spitzenforschung sind bahnbrechende neue Erkenntnisse über die Materie und das Universum zu erwarten. Wissenschaftler*innen aus aller Welt werden an FAIR eine Vielzahl von neuartigen Experimenten durchführen, von der Astrophysik bis zur Krebsforschung.

Die Gebäude für die aktuelle Ausbaustufe von FAIR sind fertiggestellt und die Installation der technischen Gebäudeausrüstung ist weit fortgeschritten. In den kommenden Jahren werden mehrere Tausend Hightech-Komponenten der FAIR Beschleuniger- und Experimentieranlagen installiert. Die nun installierten ersten Komponenten sind supraleitende Magnete mit einem Gewicht von jeweils rund drei Tonnen. Davon werden insgesamt 108 Stück installiert. Sie werden Teil des 1,1 km langen Ringbeschleunigers SIS100, mit dem Ionen aller Elemente auf bis zu 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden können. Die Aufgabe der Magnete ist es, die Teilchen im Ringbeschleuniger zu lenken und in der Kreisbahn auf Kurs zu halten.

„Mit dem Einbau der ersten supraleitenden Hightech-Magnete starten wir die Installation der FAIR-Beschleunigermaschine, auf die wir seit Jahren konsequent und mit größtem Engagement hingearbeitet haben“, so Jörg Blaurock, Technischer Geschäftsführer von GSI und FAIR. „Alle weltweit gefertigten High-Tech-Komponenten, die jetzt zum Einbau bereitstehen, wurden vorher in aufwändigen Verfahren entwickelt und getestet. Dieser Erfolg ist das Ergebnis akribischer Planung und des enormen Einsatzes aller Beteiligten. Ich bin stolz auf die hervorragende Zusammenarbeit unserer Mitarbeitenden, der Kooperationspartner aus Forschung und Industrie sowie der vielen Planer und Unterstützer und natürlich unserer Gesellschafter, die diesen Übergang in die nächste Realisierungs-Phase von FAIR ermöglicht haben.“ (GSI)

Über FAIR
Zurzeit wird in Darmstadt das neue internationale Beschleunigerzentrum FAIR, eines der größten und komplexesten Bauvorhaben für die internationale Spitzenforschung, errichtet. Auf rund 20 Hektar entstehen einzigartige Gebäudestrukturen, um neu entwickelte Hochtechnologie-Gerätschaften für die Forschung zu beherbergen und zu betreiben. Für das multinationale, hochkomplexe Mega-Bauprojekt wurde eine integrierte Bauablaufplanung entwickelt, in der Hoch-, Tief- und Ingenieurbau, Beschleunigerentwicklung und -bau, sowie die wissenschaftlichen Experimente eng aufeinander abgestimmt sind. Mit FAIR wird Materie im Labor erzeugt und erforscht werden, wie sie sonst nur im Universum vorkommt. Forschende aus aller Welt erwarten neue Einblicke in den Aufbau der Materie und die Entwicklung des Universums, vom Urknall bis heute.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung 13. Mai 2024.

13. Mai 2024 – Der νr-Prozess funktioniert, wenn neutronenreiches Material intensiver Neutrinobestrahlung ausgesetzt ist. Der theoretische Vorschlag, der kürzlich in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht wurde, könnte die Lösung für ein seit langem bestehendes Problem im Zusammenhang mit der Produktion einer Gruppe seltener Isotope sein: Die sogenannten p-Kerne kommen im Sonnensystem vor, ihr Ursprung ist aber immer noch schlecht verstanden.

Fusionsprozesse in massereichen Sternen erzeugen Kerne bis hin zu Eisen und Nickel. Darüber hinaus werden die meisten stabilen schweren Kerne, wie Blei und Gold, durch langsame oder schnelle Neutroneneinfangprozesse erzeugt. Für die Produktion der übrigen, neutronenarmen Kerne wurde eine Vielzahl von Nukleosyntheseprozessen vorgeschlagen. Es ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung, die großen Mengen an ^92,94Mo, ^96,98Ru und ⁹²Nb im (frühen) Sonnensystem zu erklären.

Der νr-Prozess ermöglicht die gleichzeitige Produktion all dieser Kerne, da Neutrinos eine Reihe von Einfangreaktionen katalysieren. So funktioniert der Prozess: Der νr-Prozess findet in neutronenreichen Ausströmungen astrophysikalischer Explosionen statt, die anfangs, wenn die Temperaturen hoch sind, aus Neutronen und Kernen im Bereich von Eisen und Nickel bestehen. Wenn die Temperatur des Materials sinkt, werden schwerere Kerne aus leichteren Kernen durch eine Abfolge von Neutroneneinfang- und schwachen Wechselwirkungsprozessen erzeugt. Anders als beim schnellen Neutroneneinfangprozess, bei dem die schwachen Reaktionen Betazerfälle sind, handelt es sich beim νr-Prozess jedoch um Neutrino-Absorptionsreaktionen. Sobald die freien Neutronen aufgebraucht sind, werden die in den Kernen gebundenen Neutronen durch weitere Neutrinoabsorptionen in Protonen umgewandelt, wodurch Atomkerne nahe der Beta-Stabilitätslinie und sogar darüber hinaus erzeugt werden. Die Energie der Neutrinos ist groß genug, um Kerne in Zustände anzuregen, die durch die Emission von Neutronen, Protonen und Alphateilchen zerfallen. Die emittierten Teilchen werden von den schweren Kernen eingefangen. Dadurch wird eine Reihe von Einfangreaktionen ausgelöst, katalysiert durch Neutrinos, die die endgültigen Häufigkeiten der durch den νr-Prozess erzeugten Elemente bestimmen. Auf diese Weise können Neutrinos neutronenarme Kerne erzeugen, die sonst unerreichbar sind. „Unsere Entdeckung eröffnet eine neue Möglichkeit, die Entstehung von p-Kernen durch Neutrino-Absorptionsreaktionen mit Kernen zu erklären“, sagt Zewei Xiong, Wissenschaftler der GSI/FAIR-Abteilung „Nukleare Astrophysik und Struktur“ und korrespondierender Autor der Publikation.

Offen ist noch die Frage, in welcher Art stellarer Explosion der νr-Prozess auftritt. In ihrer Veröffentlichung schlagen die Autoren vor, dass der νr-Prozess in Material abläuft, das in einer Umgebung mit starken Magnetfeldern ausgestoßen wird, wie z. B. in magneto-rotierenden Supernovae, Kollapsaren oder Magnetaren. Dieser Vorschlag hat Astrophysiker*innen dazu veranlasst, nach den geeigneten Bedingungen zu suchen, und in der Tat wurde in einer ersten Veröffentlichung bereits berichtet, dass magnetisch getriebene Massenauswürfe die notwendigen Bedingungen erreichen.

Der νr-Prozess erfordert die Kenntnis von Neutrinoreaktionen und Neutroneneinfangreaktionen an Kernen, die sich auf beiden Seiten der Beta-Stabilitätslinie befinden. Die Messung der relevanten Reaktionen wird mit den einzigartigen Speicherringkapazitäten der GSI/FAIR-Anlage möglich werden.

Original-Publikation:
Production of p Nuclei from r-Process Seeds: The νr Process
Zewei Xiong, Gabriel Martínez-Pinedo, Oliver Just, and Andre Sieverding
Phys. Rev. Lett. 132, 192701 – Published 9 May 2024 https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.192701
pdf: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.132.192701

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• Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren

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Quelle: FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) 20. Juni 2023.

20. Juni 2023 – Der vor kurzem erfolgte Start der ESA-Raumsonde „Juice“ war der Beginn einer ambitionierten Reise, die das Ziel hat, die Geheimnisse der Eismonde des Jupiter zu erforschen. Sie wird acht Jahre unterwegs sein, auf ihrem Weg Milliarden Kilometer zurücklegen und soll herausfinden, ob Voraussetzungen für Leben auf den Jupitermonden existieren könnten. Auch eine leistungsstarke Hightech-Entwicklung von GSI und FAIR ist bei dieser einmaligen Forschungsreise mit an Bord.

In einer Gruppe von Detektoren, die „Juice“ mit sich führt, wird ein ladungsempfindlicher Verstärker-Chip von GSI/FAIR eingesetzt. Der sogenannte PADI-X ASIC wurde im Rahmen des CBM-Experimentes entwickelt. CBM (Compressed Baryonic Matter) ist eine der zentralen Forschungssäulen des internationalen Beschleunigerzentrums FAIR, das derzeit bei GSI gebaut wird. Entstanden ist der Chip in den beiden wissenschaftlich-technischen GSI-Abteilungen Experimentelektronik und Detektorlabor, in Zusammenarbeit mit Senior-Wissenschaftler Dr. Mircea Ciobanu (Institute of Space Science, Rumänien und Universität Heidelberg).

Beim Start von „Juice“ vom Europäischen Weltraumbahnhof in Französisch-Guayana aus betonte Carole Mundell, ESA-Direktorin für Wissenschaft: „Heute haben wir eine Reihe hochmoderner wissenschaftlicher Instrumente auf die Reise zu den Monden des Jupiters geschickt, die uns einen hervorragenden Blick aus nächster Nähe ermöglichen werden, welcher für frühere Generationen unvorstellbar gewesen wäre. Der riesige Datenschatz, der mit Juice erfasst werden kann, wird es der Wissenschaftsgemeinde weltweit ermöglichen, die Geheimnisse des Jupitersystems zu lüften, die Beschaffenheit und die Bewohnbarkeit von Ozeanen in anderen Welten zu erforschen und Fragen zu beantworten, die von künftigen Generationen von Wissenschaftler*innen noch nicht gestellt wurden.“

Der Wissenschaftliche Geschäftsführer von GSI und FAIR, Professor Paolo Giubellino, ist sehr erfreut über die Beteiligung an dieser äußerst spannenden Weltraum-Mission: „Die Europäische Weltraumorganisation ESA arbeitet bereits seit vielen Jahren eng mit GSI/FAIR zusammen, um gemeinsam die vielfältigen Aspekte der Weltraumforschung voranzutreiben. So ist beispielsweise die Erforschung kosmischer Strahlung ein entscheidender Beitrag, damit Astronaut*innen und Satelliten im Weltall die besten Ergebnisse bei der Exploration unseres Sonnensystems erzielen. Außerdem könnte künstlicher Winterschlaf, ein weiteres Forschungsfeld mit großer GSI-Expertise, eine vielversprechende Schlüsseltechnologie für die Zukunft der Raumfahrt werden. ESA und FAIR organisieren seit einigen Jahren auch eine gemeinsame Sommerschule, die sich mit Strahlungseffekten im Weltraum beschäftigt. Ich freue mich sehr, dass nun eine für das künftige Beschleunigerzentrum FAIR entwickelte Hightech-Anwendung diese erfolgreiche Reihe fortschreibt und bei der Jupiter-Exploration dabei ist.“

Die „Juice“-Sonde hat auf ihrem Weg zum größten Planeten unseres Sonnensystems zehn Instrumente an Bord, mit denen sie vor allem die großen Monde des Jupiter analysieren soll. Dort wird Wasser unter einer dicken Eisschicht und damit eine Voraussetzung für Leben vermutet. Die Instrumente stammen von europäischen Partnern und der US-Raumfahrtagentur NASA und ermöglichen zahlreiche Untersuchungen, beispielsweise Laser- oder Radarmessungen, mit denen auch unter der Eisschicht Daten gesammelt werden können.

Der PreAmplifier-DIscriminator Chip (PADI) ist eine Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung (ASIC), die ursprünglich für die Benutzung bei GSI/FAIR konzipiert wurde. Diese wird zukünftig als Front-End-Elektronik zum Auslesen der zeitlichen resistiven Plattenkammern in der Flugzeitwand (TOF) des CMB-Experiments für FAIR eingesetzt werden. Somit ursprünglich für Hochenergiephysikexperimente in Bodenanlagen entwickelt, stellte sich jedoch heraus, dass PADI auch für Weltraumexperimente geeignet ist, und PADI-X wurde als Front-End-Elektronik für einen Sensor der „Juice“-Mission, das PEP/JDC-Instrument, ausgewählt und qualifiziert. PEP (Particle Environment Package) ist ein Teilchenspektrometer zur Messung von neutralen und geladenen Teilchen im Jupitersystem. Das PEP-Instrument besteht aus insgesamt zwei Einheiten mit sechs unterschiedlichen Sensoren; die wissenschaftlichen Ziele des Instruments sind die Untersuchung der Jupiter-Monde Ganymed, Kallisto, Europa und Io sowie der Magnetosphäre des Jupiter.

Bevor die „Juice“-Sonde ihre Arbeit am Jupiter aufnehmen kann, hat sie allerdings noch eine lange Strecke vor sich. Sie muss bei ihrer achtjährigen Reise zum Jupiter einmal um die Venus und dreimal um die Erde fliegen, um Geschwindigkeit aufzunehmen. Nach der Ankunft im Jahr 2031 werden die Forschenden dann unter anderem einen genauen Blick auf die Jupiter-Monde werfen können und mit ihren Analysen beginnen –mit Hilfe von Hightech aus der GSI/FAIR-Entwicklung. (BP)

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• JUICE (JUpiter ICy moons Explorer) auf Ariane 5 ECA

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Quelle: FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) 30. Mai 2023.

30. Mai 2023 – Wie entstehen die Bausteine unseres Lebens? Welche Waffen können der Menschheit im Kampf gegen den Krebs helfen? Wie sind Planeten in ihrem innersten Kern beschaffen? Was passiert gerade auf dem Baufeld für eines der größten Forschungsvorhaben weltweit? Antworten auf diese und viele andere spannende Fragen gibt es beim Tag der offenen Tür, zu dem das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und das künftige Beschleunigerzentrum FAIR am Samstag, dem 15. Juli, von 10 bis 16 Uhr einladen. Die Besucher*innen können an diesem Tag mit einem Programm für die ganze Familie den Forschungscampus von GSI und FAIR kennenlernen. Für den Besuch benötigen alle Gäste ein kostenfreies Ticket, das aus organisatorischen Gründen vorab elektronisch zu buchen ist über www.gsi.de/tagderoffenentuer. Der Ticketerwerb ist ab 1. Juni 2023 möglich.

Sehen. Erleben. Verstehen: Der Tag der offenen Tür bietet eine Erlebnisreise in die Wissenschaft und führt mit zahlreichen Informations- und Unterhaltungsangeboten mitten hinein in den hochmodernen Wissenschaftsbetrieb bei GSI und FAIR. Wissenschaftler*innen, Ingenieur*innen und Techniker*innen erläutern ihre Arbeit und geben Einblicke in die faszinierende Welt der Forschung. Die Möglichkeiten für die Gäste sind dabei breit gefächert. Mit dem Ticketsystem können die Besucher*innen ihren Aufenthalt im Vorfeld bequem planen und ganz individuell gestalten.

Der Campus kann an diesem Tag mit geführten Touren erkundet werden. Es stehen mehrere Rundgänge zur Auswahl, darunter auch englischsprachige und Angebote mit barrierefreiem Zugang und ohne Altersbeschränkung. Sie alle geben einen guten Überblick über Forschungseinrichtungen, Technikabteilungen, Beschleuniger und Experimente. Hier gibt es beispielsweise viel Neues zu erfahren über die Beschleunigeranlagen, durch die die Ionen während des Forschungsbetriebs mit rund 270.000 Kilometer pro Sekunde rasen können, oder die Experimente mit haushohen Detektoren, mit denen mehreren Hundert Reaktionsprodukte gleichzeitig nachgewiesen werden können. Andere buchbare Touren setzen einen Schwerpunkt auf die 20 Hektar große Baustelle für die weltweit herausragende Teilchenbeschleunigeranlage FAIR und die einzigartigen Hightech-Entwicklungen für dieses große Zukunftsprojekt.

Auf der Flaniermeile „Science Square“ nahe dem zukünftigen FAIR-Kontrollzentrum geht es um das entspannte Genießen der internationalen Atmosphäre von GSI und FAIR mit vielfältigem Catering-Angebot und Unterhaltungsprogramm. Auch dort steht die Wissenschaft im Mittelpunkt: Es gibt Mitmach-Experimente und Gelegenheiten, sich im direkten Gespräch mit Forschenden zu Themen wie Technologietransfer oder Raumfahrt zu informieren. Wer selbst in einer der spannendsten internationalen Forschungseinrichtungen arbeiten möchte, kann sich dort auch über die vielfältigen Jobmöglichkeiten bei GSI und FAIR informieren.

Der Tag der offenen Tür bei GSI und FAIR ist zugleich Teil des großen, bundesweiten Programmangebots für das Wissenschaftsjahr 2023. Die Aktion wird jährlich unter einem wechselnden Thema vom Bundesministerium für Bildung und Forschung ausgerufen, diesmal unter dem Titel „Unser Universum“. Das Thema passt besonders gut zum künftigen Beschleunigerzentrum FAIR, das unter dem Motto „Das Universum im Labor“ steht. Mit FAIR wird Materie im Labor erzeugt und erforscht, wie sie sonst nur im Universum vorkommt. Forschende aus aller Welt erwarten neue Einblicke in den Aufbau der Materie und die Entwicklung des Universums, vom Urknall bis heute. Außerdem fällt die Veranstaltung in die Zeit der Feierlichkeiten zum 850-Jahr-Jubiläum des Darmstädter Stadtteils Wixhausen, mit dem GSI/FAIR als angrenzendem Stadtteil eng verbunden ist.

Die GSI- und FAIR-Geschäftsführer Professor Paolo Giubellino, Dr. Ulrich Breuer und Jörg Blaurock sehen mit großer Vorfreude dem Tag der offenen Tür entgegen: „Wir alle, die bei GSI und FAIR arbeiten, freuen uns sehr auf die Besucher*innen und möchten mit dem Tag der offenen Tür Begeisterung und Neugier für die Wissenschaft wecken. Es ist uns ein wichtiges Anliegen, die Öffentlichkeit über unsere Arbeit und unser Zukunftskonzept zu informieren, die Menschen zu inspirieren und das Interesse für naturwissenschaftlich-technische Themen zu stärken, auch bei dem interessierten Nachwuchs. Wissenschaft benötigt viele kluge Köpfe, die ihr Talent für die Forschung einsetzen. Wir möchten außerdem zeigen, was in internationaler Zusammenarbeit alles möglich ist und wie die Gesellschaft von der modernen Forschung profitieren kann. Deshalb hoffen wir sehr, am 15. Juli zahlreiche Gäste bei uns begrüßen zu können.“ (BP)
Informationen

Tickets: Kostenfreie Einzeltickets für den „Tag der offenen Tür“ müssen im Vorfeld erworben werden.
Buchungsportal: kostenfreie Ticketbuchung unter www.gsi.de/tagderoffenentuer (ab 1. Juni).
Buchungsoptionen: gebucht werden können
a) Tourentickets: geführte Campus- oder Baustellentouren zu festen Startzeiten (Dauer ca. 75 Minuten) mit Aufenthaltsmöglichkeit im „Science Square“
b) Flaniertickets: Aufenthalte im „Science Square“ ohne Führungen (Dauer unbegrenzt)
Pro Person können bis zu sechs Tickets gebucht werden

Einlass: Das Ticket berechtigt zum Einlass ab 10 Uhr, bitte erscheinen Sie mindestens 30 Minuten vor der gebuchten Touren-Startzeit am Eingang

Sprache: Touren werden zu bestimmten Uhrzeiten auch in englischer Sprache angeboten

Altersangaben: Im „Science Square“ ist jedes Alter willkommen; Alterseinschränkungen bei den Touren sind dem Ticketing-Portal zu entnehmen.

Barrierefreiheit: Im „Science Square“ ist Barrierefreiheit gegeben; Einschränkungen bei den Touren sind dem Ticketing-Portal zu entnehmen.

Gastronomie: Ein gastronomisches Angebot ist auf Selbstzahlerbasis vorhanden

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• Terminvorschau auf Veranstaltungen

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Quelle: GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung 20. Februar 2023.

20. Februar 2023 – Die Entdeckung wurde von einem internationalen Team unter Beteiligung von Forschenden des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt und unter Leitung von Wissenschaftlern der Universität Kopenhagen gemacht. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Kilonovae sind gigantische Explosionen, die entstehen, wenn zwei Neutronensterne einander umkreisen und schließlich miteinander kollidieren. Die dabei auftretenden extremen physikalischen Bedingungen sind für die Entstehung schwerer Elemente verantwortlich, beispielsweise die Atome im Goldschmuck und das Jod in unseren Körpern. Des Weiteren erzeugen Kilonovae Licht, so dass man diese Explosionen auch noch in kosmischen Entfernungen mit Teleskopen beobachten kann.

Aber es gibt noch viel, was wir über dieses gewaltige Phänomen nicht wissen. Als 2017 in 140 Millionen Lichtjahren Entfernung eine Kilonova entdeckt wurde, konnten zum ersten Mal detaillierte Daten gesammelt werden. Wissenschaftler*innen auf der ganzen Welt sind immer noch dabei, die Daten dieser kolossalen Explosion zu interpretieren, darunter Albert Sneppen und Professor Darach Watson von der Universität Kopenhagen, sowie Privatdozent Andreas Bauswein und Dr. Oliver Just aus der GSI-Forschungsabteilung Theorie.

Eine der offenen Frage betrifft die geometrische Form der Kilonova, also die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Explosion in verschiedenen Richtungen. Dieses Problems hat sich das internationale Forschungsteam rund um Sneppen und Watson angenommen. Die Forschenden haben die Geschwindigkeit der Explosion in verschiedenen Richtungen analysiert: entlang der Sichtlinie – also die Geschwindigkeit des Materials, das sich in Richtung unserer Erde bewegt – und senkrecht dazu.

Entlang der Sichtlinie machen sich die Forschenden den Dopplereffekt zunutze, den man vom herannahenden Feuerwehrauto kennt. Wie sich die Tonhöhe der Sirene mit hoher Geschwindigkeit verändert, so kann man auch aus den Eigenschaften des Lichts der Kilonova-Explosion, genauer aus den sogenannten Spektrallinien, die Geschwindigkeit ablesen. Die Geschwindigkeit senkrecht zur Beobachtungslinie ergibt sich aus der Größe der strahlenden Fläche, die sich aus Helligkeit und Farbe der Kilonova ableiten lässt.

Die Kugelform ist ein Rätsel
Die Überraschung dieser Analyse: Die Explosion breitet sich in alle Richtungen gleich schnell aus. Die Kilonova aus dem Jahr 2017 hat die Form einer Kugel. „Man hat zwei superkompakte Sterne, die sich 100 Mal pro Sekunde umkreisen, bevor sie kollabieren. Unsere Intuition und die meisten der bisherigen Modelle besagen, dass die bei der Kollision entstehende Explosionswolke aufgrund des enormen Drehimpulses im System eine eher asymmetrische Form haben muss“, sagt Albert Sneppen, Doktorand am Niels-Bohr-Institut und Erstautor der in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Studie. Wie die Kilonova kugelförmig sein kann, ist ein echtes Rätsel.

Das GSI-Team hat insbesondere Simulationen der Explosion zum Test verschiedener Szenarien und theoretische Interpretationen zu der Veröffentlichung beigetragen. Die Forschenden konnten zeigen, dass es selbst unter recht spekulativen Annahmen keinen Mechanismus gibt, der zwangsläufig zu einer sphärischen Explosion führen muss, wenngleich einige Simulationen recht gut zu der Beobachtung passen. „Eine Möglichkeit könnte daher auch sein, dass es sich um eine pure Koinzidenz handelt. Spannend ist die Beobachtung auf alle Fälle, denn sie hilft Modelle der Kilonova-Explosion besser zu verstehen und damit auch Details der Elemententstehung in diesen Ereignissen“, sagt Oliver Just. Andreas Bauswein ergänzt: „Mit Messungen weiterer Neutronensternverschmelzungen wird man dieses Ergebnis sicher besser beurteilen können. Wir erwarten, dass mit neuen, jetzt zur Verfügung stehenden Observatorien in den kommenden Jahren viele weitere Kilonovae entdecken werden.“

Ein neues kosmisches Lineal
Die Form der Explosion ist auch aus einem ganz anderen Grund interessant: „Unter Astrophysiker*innen wird viel darüber diskutiert, wie schnell das Universum expandiert. Die Geschwindigkeit sagt uns unter anderem, wie alt das Universum ist. Und die beiden hauptsächlich benutzten Methoden, die es gibt, um dies zu messen, weichen um etwa eine Milliarde Jahre voneinander ab. Hier haben wir vielleicht eine dritte Methode, die die anderen Messungen ergänzt und mit ihnen verglichen werden kann“, sagt Albert Sneppen.

Die so genannte „kosmische Entfernungsleiter“ ist die Methode, die heute verwendet wird, um zu messen, wie schnell das Universum wächst. Dazu wird der Abstand zwischen verschiedenen Objekten im Universum berechnet, die als Sprossen auf der Leiter fungieren. „Wenn sie hell und meist kugelförmig sind, können wir die Kilonovae als eine neue Möglichkeit nutzen, um die Entfernung unabhängig zu messen – eine neue Art von kosmischem Lineal“, sagt Darach Watson und fährt fort: „Die Kenntnis der Form ist hier entscheidend, denn wenn ein Objekt nicht kugelförmig ist, strahlt es je nach Blickwinkel anders. Eine kugelförmige Explosion ermöglicht eine viel genauere Messung.“

Die Arbeiten sind ein erstes Resultat der neu gegründeten HEAVYMETAL-Kollaboration, die vergangenes Jahr mit einem ERC Synergy Grant ausgezeichnet wurde.

Über Kilonovae

• Neutronensterne sind extrem kompakte Sterne, die hauptsächlich aus Neutronen bestehen. Sie haben in der Regel nur einen Durchmesser von etwa 20 Kilometern, wiegen aber ein- bis zwei Mal soviel wie die Sonne. Ein Teelöffel Neutronensternmaterie wiegt etwa so viel wie der Mount Everest.
• Wenn zwei Neutronensterne miteinander kollidieren, entsteht das Phänomen einer Kilonova. Es handelt sich dabei um einen radioaktiven, hell leuchtenden Feuerball, der sich mit enormer Geschwindigkeit ausdehnt und hauptsächlich aus schweren Elementen besteht, die bei der Verschmelzung und ihren Nachwirkungen entstanden sind. Diese neu gebildeten Elemente werden in den Weltraum geschleudert und mit Gaswolken vermischt, aus denen eine neue Generation von Sternen und Planeten hervorgeht.
• Die Elemententstehung in Kilonovae wurde 1974 vorhergesagt. Im Jahr 2017 wurden zum ersten Mal detaillierte Daten von einer Kilonova gewonnen, als es den Detektoren LIGO (in den USA) und Virgo (in Europa) gelang, Gravitationswellen einer Neutronensternverschmelzung zu detektieren und die Position der Kilonova am Himmel einzugrenzen. Teleskope fanden schließlich die Kilonova AT2017gfo in der Nähe einer 140 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxie.

Originalpublikation:
doi.org/10.1038/s41586-022-05616-x
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05616-x

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung 14. November 2022.

14. November 2022 – Ihre Ergebnisse haben die Forschungspartner aus Deutschland, Japan, Italien, UK und USA vor Kurzem in „Scientific Reports“, einer Zeitschrift der Nature Publishing Group, veröffentlicht.

Torpor nennen Forschende den Zustand, wie ihn auch Winterschlaf haltende Tiere eingehen. In diesem Zustand werden lebenserhaltende Funktionen eines Organismus zurückgefahren: Die Körpertemperatur wird abgesenkt, der Stoffwechsel reduziert und Körperfunktionen wie Atem- und Herzfrequenz oder Sauerstoffaufnahme werden deutlich verlangsamt. Auch auf molekularer Ebene werden die Genaktivität und die Proteinbiosynthese auf ein langsameres Tempo reduziert. In der nun veröffentlichten Studie zum Thema synthetischer Torpor, also eine Art künstlich erzeugter Winterschlaf, und Schutz vor ionisierender Strahlung haben die Wissenschaftler*innen biologische Effekte nachgewiesen, die darauf hindeuten, dass synthetischer Torpor die Resistenz gegenüber Strahlung erhöht. Ein Nachweis, der langfristig für Astronauten sehr nützlich sein könnte.

Denn kosmische Strahlung gilt als eines der größten Gesundheitsrisiken für die Erforschung des Weltraums durch den Menschen. Vor allem bei zukünftigen Langzeitmissionen stellen schädliche Auswirkungen der Weltraumstrahlung eine große Herausforderung dar. Der größte Teil der Strahlungsdosis, die dabei von den Besatzungen aufgenommen wird, wird durch galaktische kosmische Strahlung (GCR) erzeugt, das heißt durch hochenergetische geladene Teilchen, einschließlich dicht ionisierender schwerer Ionen, die in fernen Galaxien entstehen. Die Energie dieser Teilchen ist so hoch, dass die Abschirmung des Raumfahrzeugs sie nicht aufhalten kann und zu einer Strahlenbelastung führt, die über einen sehr langen Zeitraum mehr als 200 Mal höher ist als die Hintergrundstrahlung auf der Erde. Deshalb wird für künftige Missionen nach geeigneten Strahlungsschutzmaßnahmen geforscht.

„Die Zusammenhänge zwischen Torpor und Strahlenresistenz stellen einen hoch innovativen Forschungsansatz dar. Unsere aktuellen Ergebnisse lassen darauf schließen, dass synthetische Torpor ein vielversprechendes Instrument zur Verbesserung des Strahlenschutzes im lebenden Organismus während einer langfristigen Weltraummission ist. Er könnte somit eine effektive Strategie zum Schutz des Menschen bei der Erforschung des Sonnensystems darstellen“, fasst der Leiter der GSI-Abteilung Biophysik, Professor Marco Durante, zusammen.

Zwar ist bereits bekannt, dass Tiere, die natürlichen Winterschlaf halten, in diesem Zustand eine Strahlenresistenz erwerben. Doch die aktuelle Studie ist deshalb so bedeutsam, weil nun zum ersten Mal bei nicht Winterschlaf haltenden Tieren (Ratten) ein biologischer Zustand, der dem Winterschlaf ähnlich ist, herbeigeführt wurde und eine Strahlenresistenz gegenüber hochenergetischen Schwerionen nachgewiesen werden konnte. In Experimenten am japanischen Gunma University Heavy-ion Medical Center wurden beschleunigte Kohlenstoff-Ionen zur Simulation der Strahlung im Weltraum verwendet. Die anderen In-Vitro-Zellexperimente wurden auf dem GSI/FAIR-Campus in Darmstadt durchgeführt und waren Teil der Experimentierzeit FAIR-Phase 0.

Die beiden Hauptergebnisse des Forschungsteams nach Bestrahlung und Induzierens eines synthetischen Torpors belegten die Annahmen: Synthetischer Winterschlaf kann eine schützende Wirkung vor einer eigentlich tödlichen Dosis an Kohlenstoff-Ionen haben. Synthetischer Winterschlaf reduziert außerdem die Gewebeschäden bei einer Ganzkörperbestrahlung.

Außerdem konnten die Wissenschaftler*innen von GSI bei ihren Untersuchungen an Gewebezellen von Ratten den zugrundeliegenden Mechanismus näher charakterisieren und zeigen, dass eine geringere Sauerstoffkonzentration in den Geweben (Hypoxie) und ein reduzierter Stoffwechsel bei niedriger Temperatur (Hypothermie) zwei wichtige Faktoren bei der Verhinderung von Zellschäden sein können. Die immunhistologischen Analysen deuteten darauf hin, dass der synthetische Torpor das Gewebe vor energetischer Ionenstrahlung schont. Zudem könnten sich Veränderungen im Stoffwechsel bei niedrigen Temperaturen auch auf die DNA-Reparatur auswirken.

Noch ist viel Forschung nötig, um die strahlenschützende Wirkung des synthetischen Torpors in Organen zu untersuchen und besser zu verstehen. Und noch ist es technisch nicht möglich, Menschen auf sichere und kontrollierte Weise in einen Winterschlaf zu versetzen. Doch die Forschung schreitet voran. Erst vor Kurzem waren die neuronalen Bahnen, die den Torpor steuern, enträtselt worden. Nun fügt die aktuelle Veröffentlichung einen weiteren wichtigen Baustein hinzu.

Der Wissenschaftliche Geschäftsführer von GSI und FAIR, Professor Paolo Giubellino, unterstreicht, dass das derzeit bei GSI entstehende internationale Beschleunigerzentrum FAIR einzigartige Möglichkeiten für Forschung im Bereich der kosmischen Strahlung bieten wird. „Bereits jetzt ist GSI in der Lage, Strahlen schwerer Kerne zu produzieren, wie sie in der kosmischen Strahlung vorkommen. An FAIR werden Experimente mit einem viel größeren Spektrum an Teilchenenergien und -intensitäten möglich sein. Dies wird es Forschenden ermöglichen, die Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf den Menschen und auf die technischen Instrumente zu untersuchen, die für die Ermöglichung menschlicher Marsmissionen von grundlegender Bedeutung sind. Ich freue mich sehr, dass die Europäische Weltraumorganisation ESA seit vielen Jahren mit FAIR zusammenarbeitet, um diesen Forschungsbereich voranzutreiben.“

Originalpublikation:
https://www.nature.com/articles/s41598-022-20382-6

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• Kosmische Strahlung

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main 10. Oktober 2022.

10. Oktober 2022 – Seit 2008 bildet ein Rahmenvertrag die Grundlage der engen wissenschaftlichen Kooperation zwischen der Goethe-Universität Frankfurt und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Jetzt wurde der Rahmenvertrag erneuert und unter rechtlichen sowie wissenschaftspolitischen Gesichtspunkten aktualisiert. Beschleuniger- und Schwerionenphysik sowie die „grüne“ IT-Technologie werden jetzt erstmals als konkrete Forschungsgebiete im Vertrag festgehalten.

Im wissenschaftlichen Netzwerk der Rhein-Main-Region kooperieren das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und die Goethe-Universität seit vielen Jahren eng miteinander. Es gibt acht gemeinsam berufene Professoren etwa in der theoretischen Physik und der Beschleunigerphysik, außerdem zahlreiche Kooperationsprojekte, zum Beispiel die Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR (HFHF), einem Think Tank der physikalischen Grundlagenforschung, und die Graduiertenakademie GRADE Center for Hadron and Ion Research, die an der Goethe-Universität angesiedelt ist. Auch der Green-IT-Cube der GSI, eines der leistungsfähigsten und energieeffizientesten Rechenzentren der Welt, geht auf eine Entwicklung von Wissenschaftlern von Goethe-Universität und GSI zurück.

Prof. Enrico Schleiff, Präsident der Goethe-Universität Frankfurt, erläutert: „Die GSI mit der großen Beschleunigeranlage FAIR, die gerade erbaut wird, ist seit vielen Jahren ein äußerst wichtiger strategischer Kooperationspartner für die Goethe-Universität Frankfurt. So qualifizieren wir in GRADE und in der Helmholtz Forschungsakademie HFHF gemeinsam die nächste Generation junger, talentierter Forscherinnen und Forscher und öffnen ihnen Möglichkeiten, sich wissenschaftlich zu etablieren. Weiterhin haben wir im vergangenen Jahr das vom Land Hessen geförderte Schwerpunktprojekt ELEMENTS gestartet, an dem die Goethe-Universität, das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und die TU Darmstadt beteiligt sind.“ Bei ELEMENTS experimentieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an Teilchenbeschleunigern, um die Materie in extremen astrophysikalischen Objekten wie Neutronensternen zu verstehen und mit theoretischen Modellen zu beschreiben.

Präsident Schleiff ist überzeugt: „Mit der GSI verbindet uns die physikalisch-mathematische Grundlagenforschung, eines der prägenden Forschungsthemen der Goethe-Universität, die wir in unserem Profilbereich ‚Space, Time & Matter‘ gebündelt haben: Hier arbeiten rund 150 Professorinnen und Professoren und 1000 Mitarbeitende und bilden 10.000 Studierende aus. Zusammen mit der GSI wollen wir die Spitzenforschung in diesem Bereich weiter vorantreiben. Aber der neue Kooperationsvertrag geht weit über die Zusammenarbeit in der Forschung hinaus und bietet somit auch Raum für neue Kooperationsformate bis in die Verwaltung hinein.“

Prof. Paolo Giubellino, wissenschaftlicher Geschäftsführer des GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, erklärt: „Mit FAIR entsteht bei GSI eine weltweit einzigartige Beschleunigeranlage für die Forschung in der Teilchen- und Kernphysik, mit der wir neue Erkenntnisse zum Aufbau der Materie und zur Entwicklung des Universums gewinnen werden. Die enge Partnerschaft mit der Goethe-Universität wird unseren wissenschaftlichen Erfahrungsaustausch weiter fördern und die Grundlagenforschung in diesem faszinierenden Wissenschaftsfeld ausbauen. Neben dem reinen Erkenntnisgewinn erwarteten wir auch hochspannende wissenschaftliche Ergebnisse aus der biomedizinischen Strahlenforschung und der Materialforschung. Und hochtechnologische Neuentwicklungen in den Bereichen Detektor- und Sensortechnologien oder in energiesparenden Supercomputern generieren nicht nur Nutzen für die Wissenschaft, sondern auch für Wirtschaft und Gesellschaft. Wir sind froh, mit der Goethe-Universität einen so starken Forschungspartner zu haben.“

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Excellence Cluster ORIGINS 22. Juni 2022.

22. Juni 2022 – Die Forschenden überwanden die experimentelle Herausforderung durch den Einsatz einer neuen Methode: Dabei wurden ein radioaktiver neutronenreicher ⁸He-Strahl und eine schnelle hochenergetische Reaktion mit einem Proton eingesetzt.

Das Experiment wurde an der Beschleunigeranlage für radioaktive Strahlen (RIBF) am RIKEN-Forschungszentrum in Japan durchgeführt. Beteiligt an der großen internationalen Kollaboration waren neben der Technischen Universität München (TUM) und des Exzellenzclusters ORIGINS auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TU Darmstadt, des RIKEN Nishina Centers sowie des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt. Das Experiment lieferte ein zweifelfreies Signal für die erste Beobachtung des Tetra-Neutrons. Das Resultat wurde in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Verwandtschaft im Universum
Die Bausteine von Atomkernen sind die Nukleonen, die in zwei Arten vorkommen, den neutralen Neutronen und den positiv geladenen Protonen – den beiden sogenannten Isospin-Zuständen des Nukleons. Gebundene Kerne, die ausschließlich aus Neutronen aufgebaut sind, wurden bisher noch nie eindeutig nachgewiesen. Die einzigen bekannten gebundenen Systeme, die fast ausschließlich aus Neutronen bestehen, sind die Neutronensterne. Dabei handelt es sich um Endstadien der Sternentwicklung mit einem typischen Durchmesser von etwa zehn Kilometer. Diese Sterne sind stabil (gebunden) durch die Gravitation, die zu einer sehr hohen Neutronendichte im Inneren der Sternleichen führt. Atomkerne wiederum sind durch die starke Wechselwirkung gebunden, mit Präferenz eine vergleichbare Zahl an Neutronen und Protonen zu binden – das ist bekannt von den stabilen Kernen, wie sie auf unserer Erde zu finden sind.

Die Erforschung von reinen Neutronen-Systemen ist aber von großer Bedeutung, da sich nur so experimentelle Erkenntnisse über die Wechselwirkung mehrerer Neutronen untereinander und damit über die nukleare Wechselwirkung gewinnen lassen. Die Erforschung der bisher hypothetischen Teilchen könnte zudem helfen, die Eigenschaften von Neutronensternen besser zu verstehen. Herauszufinden, ob solche Neutronen-Systeme als Resonanzzustände oder gar gebundene Kerne vorliegen, ist daher ein seit langem bestehendes Bestreben der Kernphysik. Das internationale Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat dazu nun einen neuen Anlauf genommen und eine neue experimentelle Methode eingesetzt, die sich von allen bisherigen Versuchen unterscheidet.

Referenzwert für die Theorie
„Dieser experimentelle Durchbruch liefert einen Referenzwert für die Theorie zum Verständnis der Wechselwirkungen von Isospin-reinen Nukleonen-Verbünden und damit auch der Eigenschaften neutronenreicher Kerne. Die nukleare Wechselwirkung zwischen mehr als zwei Neutronen konnte bisher nicht experimentell geprüft werden, während theoretische Vorhersagen zu sehr verschiedenen Ergebnissen führen“, berichtet Dr. Meytal Duer vom Institut für Kernphysik der TU Darmstadt.

Die experimentelle Untersuchung von reinen Neutronen-Systemen stellt eine große Herausforderung dar, da es keine Möglichkeit gibt ein Neutronen-Target herzustellen. Um nun ein Multi-Neutronen-System in einem Volumen zu erzeugen, so dass die Neutronen untereinander über die kurzreichweitige Kernkraft (wenige Femtometer, 10^-15 Meter) in Wechselwirkung treten können, müssen Reaktionen eingesetzt werden. Dabei besteht die Gefahr, dass die Neutronen mit anderen Teilchen, die an der Reaktion beteiligt sind, im Endzustand wechselwirken, was wiederum das eigentliche Signal verändert oder unsichtbar macht. Die Forschenden haben diese Schwierigkeit durch den Einsatz eines hochenergetischen ⁸He-Strahls gelöst. Der 8He-Kern besteht aus einem kompakten Alpha-Teilchen, das von vier Neutronen umgeben wird. Das Alpha-Teilchen wird nun in einer schnellen Reaktion mit großem Impulsübertrag durch Stoß mit einem Proton des Flüssigwasserstoff-Targets aus dem ⁸He-Kern herausgeschossen: Die verbleibenden vier Neutronen sind plötzlich frei und alleine und können untereinander wechselwirken.

Eine geniale Idee
„Nur eine optimale Verbindung unterschiedlicher Faktoren haben die erfolgreiche Entdeckung des Tetra-Neutrons möglich gemacht. Da ist die geniale Idee genau die richtige Reaktion zu wählen, die weltweit leistungsfähigste Anlage für leichte exotische Strahlen, ein Experimentaufbau der genau für diese Reaktion entwickelt und optimiert wurde, und nicht zuletzt ein Team aus begeisterten Wissenschaftlern die sich zu 100 Prozent mit der Aufgabe identifizieren“, führt ORIGINS PI Dr. Roman Gernhäuser des Zentralen Technologielabors am Physik Department der TUM aus.

Die Arbeit zur Entdeckung des Tetra-Neutrons wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Sonderforschungsbereich 1245 und dem Exzellenzcluster ORIGINS, EXC-2094 – 390783311 gefördert.

Publikation
M. Duer, T. Aumann, R. Gernhäuser et al.: „Observation of a four-neutron resonance“, Nature (2022), doi.org/10.1038/s41586-022-04827-6.
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04827-6

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Technische Universität Darmstadt 8. Juni 2022.

8. Juni 2022 – Überall im Universum werden Neutronensterne in Supernova-Explosionen geboren, die das Ende des Lebens massereicher Sterne markieren. Manchmal sind Neutronensterne in Doppelsternsystemen gebunden und werden schließlich miteinander kollidieren. Diese hochenergetischen, astrophysikalischen Phänomene zeichnen sich durch so extreme Bedingungen aus, dass sie die meisten schweren Elemente wie Silber und Gold erzeugen. Daher sind Neutronensterne und ihre Kollisionen einzigartige Laboratorien zur Untersuchung der Eigenschaften von Materie bei Dichten, die weit über den Dichten in Atomkernen liegen. Experimente mit Schwerionen-Kollisionen, die mit Teilchenbeschleunigern durchgeführt werden, sind eine Möglichkeit, Materie bei hohen Dichten und unter extremen Bedingungen zu erzeugen und zu untersuchen.

„Die Kombination von Erkenntnissen aus der theoretischen und experimentellen Kernphysik und astrophysikalischen Beobachtungen ist unerlässlich, um die Eigenschaften neutronenreicher Materie über den gesamten Dichtebereich, der in Neutronensternen vorkommt, zu verstehen“, erklärt Sabrina Huth, Institut für Kernphysik an der Technischen Universität Darmstadt, Erstautorin der Veröffentlichung. Peter T. H. Pang, ein weiterer Erstautor vom Institut für Gravitations- und subatomare Physik (GRASP) der Universität Utrecht, fügt hinzu: „Wir stellen fest, dass die Teilchenbeschleuniger-Daten von Goldionen-Kollisionen eine bemerkenswerte Übereinstimmung mit astrophysikalischen Beobachtungen aufweisen, obwohl sie mit völlig anderen Methoden gewonnen wurden.“

Dank der jüngsten Fortschritte in der Multi-Messenger-Astronomie konnte das internationale Team, an dem Forschende aus Deutschland, den Niederlanden, den USA und Schweden beteiligt sind, neue Erkenntnisse über die grundlegenden Wechselwirkungen in der Kernmaterie gewinnen. In einer interdisziplinären Studie haben die Wissenschaftler*innen Informationen aus Schwerionenkollisionen mit astronomischen Beobachtungen elektromagnetischer Signale, Messungen von Gravitationswellen und astrophysikalischen und kerntheoretischen Berechnungen zusammengebracht. Ihre systematische Studie kombiniert erstmals all diese Informationen und deutet auf einen höheren Druck bei mittleren Dichten in Neutronensternen hin.

Die Autor*innen haben die Informationen aus Goldionen-Kollisionsexperimenten, die am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt sowie am Brookhaven National Laboratory und am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA durchgeführt wurden, in ihre mehrstufige Analyse einfließen lassen, welche auf Informationen aus der theoretischen Kernphysik und astrophysikalischen Beobachtungen basiert. Dazu gehören Messungen der Masse von Neutronensternen durch Radiobeobachtungen, Informationen von der „Neutron Star Interior Composition Explorer“ (NICER) Mission auf der Internationalen Raumstation sowie Multi-Messenger-Beobachtungen von Verschmelzungen zweier Neutronensterne.

Die Einbeziehung der Daten von Schwerionen-Kollisionen in die Analysen hat zusätzliche Einschränkungen im Dichtebereich ermöglicht, wo die Kerntheorie und astrophysikalische Beobachtungen weniger sensitiv sind. Dies hat dazu beigetragen, ein vollständigeres Verständnis der dichten Materie zu gewinnen. In Zukunft können verbesserte Daten aus Schwerionenkollisionen eine wichtige Rolle bei der Verknüpfung von Kerntheorie und astrophysikalischen Beobachtungen spielen, indem sie ergänzende Informationen liefern. Insbesondere Experimente, die höhere Dichten erforschen und gleichzeitig die experimentellen Unsicherheiten verringern, haben ein großes Potenzial, neue Hinweise auf die Eigenschaften von Neutronensternen zu liefern. Neue Informationen auf beiden Seiten können leicht in die Berechnungen integriert werden, um das Verständnis dichter Materie in den kommenden Jahren weiter zu verbessern.

Über die TU Darmstadt
Die TU Darmstadt zählt zu den führenden Technischen Universitäten in Deutschland und steht für exzellente und relevante Wissenschaft. Globale Transformationen – von der Energiewende über Industrie 4.0 bis zur Künstlichen Intelligenz – gestaltet die TU Darmstadt durch herausragende Erkenntnisse und zukunftsweisende Studienangebote entscheidend mit.
Ihre Spitzenforschung bündelt die TU Darmstadt in drei Feldern: Energy and Environment, Information and Intelligence, Matter and Materials. Ihre problemzentrierte Interdisziplinarität und der produktive Austausch mit Gesellschaft, Wirtschaft und Politik erzeugen Fortschritte für eine weltweit nachhaltige Entwicklung.
Seit ihrer Gründung 1877 zählt die TU Darmstadt zu den am stärksten international geprägten Universitäten in Deutschland; als Europäische Technische Universität baut sie in der Allianz Unite! einen transeuropäischen Campus auf. Mit ihren Partnern der Rhein-Main-Universitäten – der Goethe-Universität Frankfurt und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz – entwickelt sie die Metropolregion Frankfurt-Rhein-Main als global attraktiven Wissenschaftsraum weiter.

Originalpublikation
Sabrina Huth, Peter T. H. Pang, Ingo Tews, Tim Dietrich, Arnaud Le Fèvre, Achim Schwenk, Wolfgang Trautmann, Kshitij Agarwal, Mattia Bulla, Michael W. Coughlin, Chris Van Den Broeck: „Constraining Neutron-Star Matter with Microscopic and Macroscopic Collisions“, DOI 10.1038/s41586-022-04750-w,
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04750-w

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• Neutronensterne, Pulsare, Magnetare

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Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main.

15. Dezember 2021 – Maschinenbauingenieurin, Pilotin oder Physikerin? Dass sich Hannah Elfner nach dem Abitur für das Physikstudium entschieden hat und sie dann bald zielsicher das Quark-Gluon-Plasma erforschen wollte, ist ein Glücksfall für dieses Forschungsgebiet. Denn bereits in ihrer preisgekrönten Dissertation wies die Physikerin daraufhin, dass die Phasenabläufe im Quark-Gluon-Plasma weitaus komplexer sind als damals angenommen. Für weitere Erkenntnisse über den extrem kurzen Moment nach dem Urknall erhielt sie neben anderen Preisen 2016 den renommierten Heinz Maier-Leibnitz-Preis für Nachwuchswissenschaftler.

Zu dieser Zeit erforscht sie schon seit vier Jahren in Frankfurt, wie sich Schwerionenkollisionen, mit denen experimentelle Physiker Prozesse nach dem Urknall simulieren und bei denen das Quark-Gluon-Plasma unter extremer Dichte entsteht, mit mathematischen Modellen beschreiben lassen. Als eine der jüngsten Physikprofessorinnen in Deutschland berufen, besetzt Elfner eine Doppelstelle am Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS) an der Goethe-Universität und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. Inzwischen lehrt und forscht sie auf einer unbefristeten Professur an der Goethe-Universität, wo sie unter anderem in das Cluster-Projekt „Elements“ eingebunden ist. Seit wenigen Monaten koordiniert sie zudem die Theorieabteilung am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, wo sie zuvor mehrere Jahre lang eine Nachwuchsforschungsgruppe leitete.

Ein Glücksfall ist Hannah Elfner aber auch für das Team ihrer Nachwuchswissenschaftler. In der Laudatio zur „Scientist of the Year“-Auszeichnung beschreiben ehemalige und aktuelle Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter eindrücklich die individuelle Zuwendung, die die Physikprofessorin jedem einzelnen ihrer Studierenden und Doktoranden zukommen lässt – was unter anderem ein Grund dafür ist, dass Hannah Elfner nun als „Scientist of the Year“ ausgezeichnet wird. Universitätspräsident Enrico Schleiff sagt: „Frau Elfner ist eine exzellente junge Wissenschaftlerin, die sich sehr für ihr Fach und ihr Team einsetzt und mit ihrer Expertise ideal zu unseren Forschungsschwerpunkten beiträgt. Dass dieses Engagement von der Kassel-Stiftung gewertschätzt und unterstützt wird, freut mich natürlich ganz besonders.“ Den Preis „Scientist oft the Year“ vergibt die Alfons und Gertrud Kassel-Stiftung alle zwei Jahre an Forschende, die sich ergänzend zur eigenen herausragenden wissenschaftlichen Arbeit auch um die Nachwuchsförderung verdient machen; ein Teil des Preisgeldes in Höhe von 25.000 Euro soll deshalb auch in die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses fließen. Die für Anfang Dezember geplante feierliche Übergabe des Preises wurde pandemiebedingt nun auf das Frühjahr verschoben.

Sehr viel Spaß mache ihr die Arbeit mit den Studierenden, betont die Physikerin. Ein weiteres Motiv für ihr großes Engagement für den Nachwuchs: Sie möchte Studierende für ihr Fachgebiet zwischen theoretischer Grundlagenforschung und Experimentalphysik interessieren. In ihrer Arbeitsgruppe werden realistische dynamische Beschreibungen für Kollisionen von Atomkernen von Gold oder Blei unter Quasi-Lichtgeschwindigkeit entwickelt, die mit Teilchenbeschleunigern wie am CERN ausgelöst werden. 2025 soll der Bau des neuen internationalen Beschleunigerzentrums FAIR bei GSI in Darmstadt abgeschlossen sein. Von den Experimenten, die dort stattfinden sollen, erwarten Hannah Elfner und ihr Team genau auf ihre Fragestellungen passende Daten.

Von ihrem zweijährigen Aufenthalt an der US-amerikanischen Duke-University hat die Physikerin das Wissen mitgebracht, wie sie die mathematischen Berechnungen der Atomkernkollisionen in hoher Qualität visualisieren kann: eben jenen extrem kurzen Moment, bei dem die Protonen und Neutronen des Atomkerns zu kleineren Teilen, den Quarks, zerfallen und diese getrennt von den Gluonen auftreten, mit denen sie sonst „zusammenkleben“. Die faszinierenden Bewegungsbilder des Quark-Gluon-Plasmas dienen den Wissenschaftlern auch als Kontrolle für ihre Berechnungen: Mathematische Fehler werden sofort sichtbar. Die ästhetisch beeindruckenden Visualisierungen, die die extrem kurzen Prozesse bei einer Temperatur von einer Billion Grad darstellen, können aber auch Laien eine Ahnung vom „Big Bang“, dem Urknall, vermitteln.

Hannah Elfner hat die Bilder deshalb immer im Gepäck, wenn sie außerhalb der Universität – bei Vorträgen in Volkshochschulen oder Schülerprojekten beispielsweise – über ihr Forschungsgebiet berichtet. Bei solchen bürgernahen Terminen sagt Sie immer gern zu. Denn Wissenschaftskommunikation ist ihr wichtig. Und außerdem, sagt sie, solle man ruhig sehen, „dass auch Frauen Physikprofessoren sein können.“

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• Urknall

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Quelle: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung.

15. November 2021 – Die vorhergesagte Häufigkeitsverteilung der gebildeten Elemente gibt Aufschluss darüber, welche schweren Elemente in zukünftigen Labors wie der im Bau befindlichen Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) untersucht werden müssen, um den Ursprung der schweren Elemente zu enträtseln. Die Forschungsergebnisse sind in der Fachzeitschrift „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“ veröffentlicht.

Alle heute auf der Erde existierenden schweren Elemente wurden unter extremen Bedingungen in astrophysikalischen Umgebungen gebildet: im Inneren von Sternen, in Sternexplosionen, sowie während der Kollision von Neutronensternen. Forschende beschäftigt die Frage, in welchem dieser astrophysikalischen Ereignisse die geeigneten Bedingungen zur Bildung der schwersten Elemente wie Gold oder Uran vorhanden sind. Die spektakuläre erste Beobachtung von Gravitationswellen und elektromagnetischer Strahlung einer Neutronensternverschmelzung im Jahr 2017 deutete darauf hin, dass viele schwere Elemente in diesen kosmischen Kollisionen erzeugt und freigesetzt werden können. Offen bleibt jedoch die Frage, wann und warum das Material herausgeschleudert wird und ob es womöglich noch andere Ereignisse gibt, in denen schwere Elemente produziert werden können.

Aussichtsreiche Kandidaten für die Produktion von schweren Elementen sind schwarze Löcher, die von einer Akkretionsscheibe aus dichter und heißer Materie umkreist werden. Ein solches System entsteht sowohl nach der Verschmelzung zweier massiver Neutronensterne als auch während eines sogenannten Kollapsars, dem Kollaps und der anschließenden Explosion eines rotierenden Sternes. Die interne Zusammensetzung solcher Akkretionsscheiben war bisher weitestgehend unverstanden, insbesondere was die Bedingungen angeht, unter denen sich ein Überschuss an Neutronen bildet. Eine hohe Anzahl an Neutronen ist eine Grundvoraussetzung für die Synthese schwerer Elemente, da sie den schnellen Neutroneneinfang (rapid neutron-capture process bzw. r-Prozess) ermöglicht. Eine Schlüsselrolle spielen dabei die nahezu masselosen Neutrinos, da sie eine Umwandlung zwischen Protonen und Neutronen ermöglichen.

„Wir haben in unserer Studie erstmals mittels aufwändiger Computersimulationen systematisch die Umwandlungsraten von Neutronen und Protonen für eine große Zahl an Scheibenkonfigurationen untersucht und dabei gefunden, dass die Scheiben sehr reich an Neutronen sind, solange bestimmte Bedingungen erfüllt sind“, erklärt Dr. Oliver Just aus der Gruppe „Relativistische Astrophysik“ der GSI-Forschungsabteilung „Theorie“. „Maßgeblich ist die Gesamtmasse der Scheibe. Je massereicher die Scheibe, desto öfter werden Neutronen aus Protonen durch Einfang von Elektronen und unter Abstrahlung von Neutrinos gebildet und stehen somit zur Synthese schwerer Elemente mittels r-Prozess zur Verfügung. Bei zu hohen Scheibenmassen spielt die entgegengesetzte Reaktion eine erhöhte Rolle, das heißt, es werden wieder mehr Neutrinos von Neutronen eingefangen, bevor sie die Scheibe verlassen. Diese Neutronen wandeln sich zurück in Protonen um, was den r-Prozess behindert.“ Wie die Studie zeigt, liegt die optimale Scheibenmasse für eine ergiebige Produktion an schweren Elementen bei etwa 0,01 bis 0,1 Sonnenmassen. Das Ergebnis liefert ein starkes Indiz, dass Neutronensternverschmelzungen, die Akkretionsscheiben mit genau diesen Massen erzeugen, der Ursprungsort eines großen Anteils der schweren Elemente sein könnten. Ob und wie häufig entsprechende Akkretionsscheiben in Kollapsar-Systemen vorkommen, ist allerdings derzeit noch unklar.

Neben den möglichen Prozessen des Massenauswurfs werden in der Forschungsgruppe rund um Privatdozent Dr. Andreas Bauswein auch die von der ausgestoßenen Materie erzeugten Lichtsignale erforscht, mithilfe derer man in zukünftigen Beobachtungen kollidierender Neutronensterne auf die Masse und Zusammensetzung der ausgestoßenen Materie rückschließen möchte. Ein wichtiger Baustein für das korrekte Auslesen dieser Lichtsignale ist die genaue Kenntnis der Massen und anderer Eigenschaften der neu gebildeten Elemente. „Diese Daten sind derzeit nur unzureichend vorhanden. Aber mit der nächsten Generation von Beschleunigern, beispielsweise mit FAIR, werden sie in Zukunft mit bisher unerreichter Genauigkeit gemessen werden können. Das gut koordinierte Zusammenspiel von theoretischen Modellen, Experimenten und astronomischen Beobachtungen wird uns Forschenden in den nächsten Jahren ermöglichen, Neutronensternverschmelzungen als Ursprung der r-Prozess-Elemente zu testen“, prognostiziert Bauswein.

Publikation
Wissenschaftliche Veröffentlichung im Journal „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society“: Neutrino absorption and other physics dependencies in neutrino-cooled black hole accretion discs

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• Teilchenumwandlung

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Quelle: JLU.

8. Oktober 2021 – Die Erforschung atomarer und subatomarer Teilchen in nationalen und internationalen Großforschungseinrichtungen stehen im Fokus von Arbeitsgruppen an deutschen Universitäten, die das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit dem Verbundforschungsprogramm „Teilchen“ fördert. Gießener Arbeitsgruppen aus den Physikalischen Instituten der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) engagieren sich insbesondere bei der derzeit bei Darmstadt im Bau befindlichen internationalen Forschungseinrichtung FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research). Um die auf FAIR ausgerichtete Wissenschaft zu unterstützen, ist kürzlich die neue Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR (HFHF) mit den drei Standorten Darmstadt, Frankfurt und Gießen bewilligt worden.

Für den Aufbau und für die Durchführung von Experimenten bei FAIR sowie für theoretische Untersuchungen erhalten die Gießener Arbeitsgruppen bis Mitte 2024 Mittel aus dem BMBF-Verbundforschungsprogamm „Teilchen“ in Höhe von 4,5 Millionen Euro. Mit einer weiteren Million Euro fördert das BMBF Gießener Beiträge zum japanischen BELLE-II-Experiment, an dem exotische Teilchen erzeugt und untersucht werden, sowie zum ATLAS-Experiment am weltweit größten Teilchenbeschleuniger LHC des internationalen Forschungszentrums CERN in Genf. In naher Zukunft werden an FAIR modernste Teilchenbeschleuniger, Ionenspeicherringe und Teilchendetektoren neuartige Einblicke in die Eigenschaften der fundamentalen Bausteine der Materie („Teilchen“) sowie ihr Verhalten unter extremen Bedingungen gestatten. Im Labor werden dabei Temperaturen und Drücke erzeugt, welche kurz nach dem Urknall im frühen Universum herrschten oder heutzutage bei Sternexplosionen und Kollisionen von Neutronensternen auftreten.

„Die Gießener Arbeitsgruppen leisten einen signifikanten Beitrag zum Bau der Detektoren für FAIR in Hessen“, so JLU-Präsident Prof. Dr. Joybrato Mukherjee. „Mit den bewilligten Fördermitteln treiben sie Forschung voran, die grundsätzliche Fragestellungen wie den Ursprung der Masse, die Eigenschaften der Bausteine der Materie sowie deren Wechselwirkung bei der Entstehung unseres Universums aufklärt. Ich gratuliere allen Beteiligten herzlich zu diesem großen Erfolg.“

Das Forschungsprogramm bei FAIR wird von den vier Säulen APPA (Atomic and Plasma Physics and Applications), CBM (Compressed Baryonic Matter), NUSTAR (Nuclear Structure, Astrophysics and Reactions) und PANDA (Antiproton Annihilation in Darmstadt) getragen. Die Gießener Physik ist in allen vier Forschungssäulen aktiv. Im Rahmen von APPA entwickelt die Arbeitsgruppe Atom- und Molekülphysik (I. Physikalisches Institut, Apl. Prof. Dr. Stefan Schippers) einen intensiven Elektronenstrahl für Präzisionsmessungen an Schwerionen im FAIR-Ionenspeicherring CRYRING zur hochgenauen Überprüfung quantentheoretischer Vorhersagen. Überdies koordiniert die Gießener Atom- und Molekülphysik den Forschungsschwerpunkt ErUM-FSP T05 „Aufbau von APPA bei FAIR“, der alle an APPA beteiligten deutschen Universitätsgruppen umfasst.

Die Untersuchung von Kernen weitab der Stabilität wird in der NUSTAR-Säule vorangetrieben, an der die Gießener Physik mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Christoph Scheidenberger (II. Physikalisches Institut) beteiligt ist und hochpräzise Detektoren baut. Für das PANDA-Experiment, das exotische hadronische Zustände mit weltweit einzigartiger Präzision vermessen wird, ist die Gießener Physik an der Entwicklung und dem Bau von zwei Subdetektoren beteiligt: Die Gruppe um Prof. Dr. Kai-Thomas Brinkmann (II. Physikalisches Institut) baut das elektromagnetische Kalorimeter sowie einen Mikro-Vertex-Detektor. Das CBM-Experiment wird hochdichte Materie untersuchen, ähnlich wie sie in der Kollision von Neutronensternen oder schwarzen Löchern erzeugt wird. Hier entwickelt und baut die Gruppe von Prof. Dr. Claudia Höhne (II. Physikalisches Institut) einen RICH-Detektor; für spezielle materialtechnische Aspekte besteht eine Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Michael Dürr (Institut für Angewandte Physik). Ein Teil dieser RICH-Entwicklung wird bereits jetzt in dem derzeit laufenden HADES-Detektor bei GSI eingesetzt. Auf Basis der Theorie der starken Wechselwirkung berechnen die Gruppen von Prof. Dr. Christian Fischer, PD Dr. Bernd-Jochen Schaefer und Prof. Dr. Lorenz von Smekal am Institut für Theoretische Physik mit modernen numerischen Verfahren und aufwendigen Simulationen die Eigenschaften der kleinsten Teilchen und der aus ihnen aufgebauten hadronischen Materie unter extremen Bedingungen. Auf diese Weise entstehen theoretische Vorhersagen, welche in den PANDA- und CBM-Experimenten überprüft werden können.

Das starke Engagement am Zukunftsprojekt FAIR wird abgerundet durch Beteiligungen an anderen derzeit Daten aufzeichnenden Forschungsanlagen weltweit, wie dem CERN (ATLAS-Experiment, Prof. Dr. Michael Düren, AR Dr. Hasko Stenzel) in der Schweiz oder dem KEK (BELLE-II-Experiment, Prof. Dr. Claudia Höhne, Apl. Prof. Dr. Jens-Sören Lange) in Japan. Zu letzterem hat die JLU ein elektronisches System für Datentransfer mit Glasfasertechnologie und höchster Bandbreite – um den Faktor 20 schneller als der „5G“-Standard – beigesteuert.

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• Urknall

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Quelle: TU Darmstadt

Ein internationales Forscherteam, darunter Dr. Marius Eichler und Professorin Dr. Almudena Arcones von der TU Darmstadt und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, untersuchte die Entstehung unseres Sonnensystems vor 4,6 Milliarden Jahren und gewann dabei neue Erkenntnisse über den kosmischen Ursprung der schwersten Elemente im Periodensystem. Die Ergebnisse sind nun in „Science“ veröffentlicht worden.

Die Frage, bei welchen astronomischen Ereignissen der schnelle Neutroneneinfangsprozess, kurz r-Prozess, stattfinden kann, der die schwersten Elemente im Universum wie Jod, Gold, Platin, Uran, Plutonium und Curium erzeugt, ist seit Jahrzehnten unbeantwortet. Derzeit geht man davon aus, dass der r-Prozess bei Kollisionen zwischen zwei Neutronensternen, einem Neutronenstern und einem Schwarzen Loch oder bei seltenen Supernova-Explosionen nach dem Tod massereicher Sterne ablaufen kann.

Einige der durch den r-Prozess erzeugten Kerne sind radioaktiv und brauchen Millionen von Jahren, um in stabile Kerne zu zerfallen. Jod-129 und Curium-247 sind zwei solche radioaktive Kerne. Sie wurden bei der Entstehung der Sonne in Meteoriten festgehalten und haben eine erstaunliche Besonderheit: Sie zerfallen mit fast genau der gleichen Geschwindigkeit. Das bedeutet, dass sich das Verhältnis von Jod-129 zu Curium-247 seit ihrer Entstehung vor Milliarden von Jahren nicht verändert hat. „Da das Verhältnis von Jod-129 zu Curium-247 wie ein prähistorisches Fossil in der Zeit eingefroren ist, können wir einen direkten Blick auf die letzte Welle der Produktion schwerer Elemente werfen, die die Zusammensetzung des Sonnensystems aufbaute“, sagt Benoit Côté, der Erstautor der Studie.

Das Team berechnete das Verhältnis von Jod-129 zu Curium-247, das bei Kollisionen zwischen Neutronensternen und Schwarzen Löchern entsteht, und verglich ihre Modellvorhersagen mit den in Meteoriten gefundenen Werten. Die Forschenden kamen zu dem Schluss, dass die Anzahl der Neutronen während des letzten r-Prozess-Ereignisses, das der Geburt des Sonnensystems vorausging, nicht zu hoch sein kann, da sonst zu viel Curium im Verhältnis zu Jod erzeugt wird. Dies impliziert, dass sehr neutronenreiche Quellen, wie zum Beispiel das Material, das während einer Kollision von der Oberfläche eines Neutronensterns abgerissen wurde, wahrscheinlich keine wichtige Rolle gespielt haben, während mäßig neutronenreiche Bedingungen, die oft in den Auswürfen der Akkretionsscheibe gefunden werden, die sich um das Verschmelzungsereignis bilden, eher mit dem meteoritischen Wert übereinstimmen.

Da Nukleosynthese-Vorhersagen auf unsicheren nuklearen und stellaren Eigenschaften beruhen, steht die endgültige Antwort darauf, welches astronomische Objekt die genaue Quelle war, noch nicht fest. „Die Möglichkeit, durch das Verhältnis von Jod-129 zu Curium-247 einen direkteren Blick auf die fundamentale Natur der Nukleosynthese schwerer Elemente zu werfen, ist jedoch eine spannende Aussicht“, sagt Dr. Marius Eichler, der ebenfalls Teil des untersuchenden Teams und Postdoc in der Gruppe von Professorin Dr. Almudena Arcones war. Auf diese Arbeit aufbauend können zukünftige astrophysikalische Simulationen von Sternverschmelzungen und Sternexplosionen in Kombination mit Kernphysikexperimenten, wie sie bei GSI und dem dort entstehenden internationalen Beschleunigerzentrum FAIR geplant sind, nun auch an meteoritischen Bedingungen getestet werden, um die Quelle der schwersten Elemente des Sonnensystems zu entschlüsseln.

Die Forschungsarbeit von Dr. Marius Eichler und Prof. Almudena Arcones wurde teilweise durch den ERC Starting Grant EUROPIUM und den DFG-Sonderforschungsbereich 1245 unterstützt.

Publikation
Die Studie ist unter dem Titel „129I and 247Cm in meteorites constrain the last astrophysical source of solar r-process elements“ in „Science“ erschienen.
DOI: 10.1126/science.aba1111

Verwandte Meldung bei Raumfahrer.net:

• Die Alchemie von verschmelzenden Neutronensternen (23. Oktober 2019)

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• Sternentwicklung

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Einem internationalen Forschungsteam gelang es, an den Beschleunigeranlagen des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt neue Erkenntnisse über das künstlich erzeugte superschwere Element Flerovium, das Element 114, zu gewinnen. Unter Federführung der Universität Lund in Schweden und unter maßgeblicher Beteiligung der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) sowie des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) und weiterer Partner wurde Flerovium erzeugt und daraufhin untersucht, ob es eine abgeschlossene Protonenschale hat. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass Flerovium entgegen der Erwartung kein sogenannter „magischer Kern“ ist. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse in der Fachzeitschrift Physical Review Letters, zusätzlich beleuchtet werden sie auch in einem Begleitartikel der American Physical Society.

In den späten 1960er-Jahren formulierte unter anderem Sven-Gösta Nilsson, damals Physik-Professor an der Universität Lund, eine Theorie über die mögliche Existenz noch unbekannter superschwerer Elemente. Mittlerweile wurden solche Elemente erzeugt und viele Vorhersagen bestätigt. Unter anderem gelang die Entdeckung der sechs neuen Elemente 107 bis 112 bei GSI in Darmstadt, weitere bis zu Element 118 sind bereits bekannt. Es wurde auch prognostiziert, dass eine „magische“ Kombination von Protonen und Neutronen bei den superschweren Elementen zu stark ansteigenden Halbwertszeiten führen sollte. Dies tritt dann auf, wenn die jeweils eine gewisse Anzahl an Protonen und Neutronen fassenden Schalen im Atomkern komplett gefüllt sind. „Auch für Flerovium, das Element 114, wurde eine solche abgeschlossene, ‚magische‘ Protonenschalenstruktur vorhergesagt. Stimmte dies, läge Flerovium im Zentrum der sogenannten ‚Insel der Stabilität‘, einem Bereich der Nuklidkarte, in dem die superschweren Elemente durch die Schalenabschlüsse besonders hohe Lebensdauern aufweisen müssten“, erläutert Prof. Dr. Dirk Rudolph von der Universität Lund, der Sprecher des internationalen Experiments.

Atomkerne von Flerovium zeigen ungewöhnliche Zerfallswege
Inspiriert von Nilssons Theorien untersuchte die von der Arbeitsgruppe in Lund geleitete internationale Kollaboration in Experimenten bei GSI in Darmstadt, ob Flerovium-Kerne die vorhergesagten magischen Eigenschaften zeigen. Dazu wurden im Rahmen des FAIR-Phase-0-Experimentierprogramms während 18 Tagen jede Sekunde vier Billionen Calcium-48-Kerne mit 20 Protonen vom GSI-Linearbeschleuniger UNILAC auf zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Sie wurden auf eine dünne Folie mit seltenem Plutonium-244 mit 94 Protonen geschossen, um so durch Kernverschmelzung Atomkerne des Fleroviums, das 114 Protonen besitzt, zu erzeugen. Dieses sogenannte Target wurde am Department Chemie der JGU mithilfe von Plutonium, das unter anderem vom Lawrence Livermore National Laboratory, USA, bereitgestellt wurde, hergestellt. Starke Magnete des GSI-Rückstoßseparators TASCA trennten die Flerovium-Kerne vom intensiven Calcium-Ionenstrahl ab, im Anschluss wurden sie in einer in Lund extra für dieses Experiment weiterentwickelten Detektionsapparatur registriert.

Der Detektor vermaß den radioaktiven Zerfall von 30 Flerovium-Kernen – also das Austreten von Kernbruchstücken von Flerovium – mit hoher Effizienz und Genauigkeit. Durch präzise Analyse dieser Bruchstücke und der Zeiten, innerhalb welcher sie emittiert wurden, gelang es dem Team, ungewöhnliche Zerfallswege der Atomkerne des Fleroviums zu bestimmen, die nicht mit seinen ursprünglich vorhergesagten „magischen“ Eigenschaften in Einklang zu bringen sind. „Unsere Studie zeigt, dass Element 114 nicht stabiler ist als andere in seiner Nähe. Dies ist ein sehr wichtiger Teil des Puzzles bei der weiteren Suche nach dem Zentrum der begehrten Insel der Stabilität“, sagt Prof. Dr. Christoph Düllmann, Professor für Kernchemie an der JGU und Leiter der Arbeitsgruppen bei GSI und am HIM.

Die neuen Ergebnisse werden der Wissenschaft von großem Nutzen sein. Anstatt weiter im Bereich von Element 114 nach dem Zentrum der Insel der Stabilität zu suchen, werden nun noch schwerere Elemente, beispielsweise das noch unentdeckte Element 120, verstärkt ins Rampenlicht rücken.

Veröffentlichung:
Anton Såmark-Roth et al.
Spectroscopy along Flerovium Decay Chains: Discovery of 280Ds and an Excited State in 282Cn
Physical Review Letters, 22. Januar 2021
DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.032503
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.032503

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Auf dem Atomkern basierende Uhren könnten unsere Zeitmessung noch genauer machen als heutige Atomuhren. Der Schlüssel dazu liegt in Thorium-229, einem Atomkern, dessen niedrigster angeregter Zustand eine sehr geringe Energie aufweist. Einem Forscherteam aus dem Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg, der Technischen Universität Wien, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), dem Helmholtz-Institut Mainz (HIM) und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt ist es nun gelungen, diese niedrige Energie zu messen. Mit einem extrem genauen Detektor konnte der winzige Temperaturanstieg nachgewiesen werden, der durch die bei der Abregung des Atomkerns freigesetzte Energie entsteht. Damit kommt man der Realisierung einer Kernuhr einen großen Schritt näher.

Beim radioaktiven Zerfall ordnen sich Atomkerne spontan neu an, emittieren einen Teil ihrer Bestandteile und verwandeln sich in einen Kern eines anderen Atoms. Bei diesem Prozess verbleibt im neuen „Tochterkern“ normalerweise intern gespeicherte Energie, die in Form von Gammastrahlen freigesetzt wird. Die Energien dieser Strahlen sind – wie Fingerabdrücke – für jeden Kerntyp charakteristisch. Durch die Charakterisierung dieser Gammastrahlen-Fingerabdrücke lernen die Forscher viel über Atomkerne.

Bereits 1976 untersuchten L.A. Kroger und C.W. Reich den Zerfall von Uran-233, einem künstlichen Urankern, der unter Aussendung eines Alphateilchens zu Thorium-229 zerfällt; unmittelbar darauf folgt die Emission charakteristischer Gammastrahlen, die in unterschiedlichen und im Allgemeinen gut verstandenen Mustern auftreten. Kroger und Reich registrierten jedoch eine Anomalie: Eine Energie im Spektrum der Gammastrahlung, die von allen Nukleartheorien vorhergesagt wurde, fehlte in den gemessenen Signalen. Die beste Erklärung war, dass die im niedrigsten angeregten Zustand von Thorium-229 gespeicherte innere Energie zu gering war, als dass die entsprechende Strahlung von den Detektoren beobachtet werden konnte. In den folgenden Jahrzehnten wurden viele Versuche unternommen, diese niederenergetische Gammastrahlung zu beobachten, allerdings ohne Erfolg, wodurch sie auf immer niedrigere Energien beschränkt wurde.

Perspektiven für die Konstruktion einer Kernuhr verbessert
Heute wissen wir, dass der niedrigste angeregte Energiezustand des Thorium-229-Kerns, ein sogenannter Isomerenzustand, bei der niedrigsten bekannten Energie aller Atomkerne überhaupt liegt, bei einer Energie, die um Größenordnungen niedriger ist als übliche Anregungsenergien. Folglich ist die Energie der zugehörigen Gammastrahlung so niedrig, dass sie im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums und nicht im typischen Gammastrahlenbereich liegt. Dies führt zu der einzigartigen Situation, dass der umgekehrte Prozess der Abregung durch die Emission dieser „ultravioletten Gammastrahlung“, nämlich die Anregung des unteren Zustands durch Einstrahlen von ultraviolettem Licht auf den Kern, möglich ist.

Es ist das einzige Kernsystem, das mit „Table-Top“-Laserlicht angeregt werden kann. Damit eröffnen sich spannende Perspektiven, unter anderem die Konstruktion einer „nuklearen“ Uhr, bei der die Zeit durch Schwingungen des Kerns zwischen diesen beiden Zuständen gemessen wird. Die Präzision einer solchen Uhr wird voraussichtlich besser sein als die der derzeit besten Atomuhren, die auf Schwingungen zwischen Zuständen in der Elektronenhülle beruhen, die anfälliger für externe Störungen ist als der 10.000 Mal kleinere Kern.

Das Hauptproblem besteht jedoch darin, dass die Energie des isomeren Zustands noch nicht genau genug bekannt ist, um zu wissen, welches ultraviolette Licht benötigt wird, um die Schwingung zu stimulieren. Das Konsortium von Forschern aus Heidelberg, Wien, Mainz und Darmstadt hat nun die Gammaspektroskopie-Messung von Kroger und Reich wiederholt, allerdings unter Verwendung eines hochmodernen Gammaspektrometers, das explizit für die Registrierung von Strahlen solch niedriger Energie ausgelegt ist.

Kühle Studien ergeben höchste Präzision
Dazu entwickelte das Forscherteam um Prof. Dr. Christian Enss und Dr. Andreas Fleischmann am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg ein magnetisches Mikrokalorimeter, genannt „maXs30“. Dieser auf minus 273 Grad Celsius gekühlte Detektor misst den winzigen Temperaturanstieg, der bei der Absorption einer niederenergetischen Gammastrahlung auftritt. Der Temperaturanstieg führt zu einer Änderung der magnetischen Eigenschaften des Detektors, die dann mithilfe von SQUID-Magnetometern, ähnlich denen, die üblicherweise in der Magnetresonanztomographie verwendet werden, in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Der maXs30-Detektor hat eine bisher unerreichte Energieauflösung und Verstärkungslinearität; dennoch brauchte es etwa zwölf Wochen kontinuierlicher Messungen, um das Gammastrahlenspektrum mit ausreichender Genauigkeit zu erhalten.

Um diese anspruchsvolle Messung zu ermöglichen, stellte das Team von Prof. Dr. Christoph Düllmann in Mainz und Darmstadt eine spezielle Probe von Uran-233 her. Zunächst entfernten sie chemisch alle Zerfalls-Tochterprodukte, die im Laufe der Zeit vor der Verwendung der Probe entstanden waren. Außerdem entfernten sie unerwünschte Radioisotope, deren Zerfall zu einem unerwünschten Untergrund in den Messdaten führt. Dann entwarfen sie eine Quellengeometrie und einen Probenbehälter, die zu minimalen Störungen der schwachen Signale auf dem Weg von der Probe zu den maXs30-Kalorimetern führten. Diese Schritte waren für den Erfolg der Messung erforderlich, da nur einer von 10.000 Abregungsvorgängen ein Signal erzeugt, das für die Bestimmung der Isomerenenergie nutzbar ist.

Die Messung ergab das bisher präziseste Gammastrahlenspektrum des Zerfalls von Uran-233 zu Thorium-229. Das Team von Prof. Dr. Thorsten Schumm an der Technischen Universität Wien hat zusammen mit dem Heidelberger Team vier verschiedene Schemata angewandt, um aus diesen Daten die Energie des Isomerenzustands abzuleiten. Das präziseste ergab einen Wert von 8,10(17) Elektronenvolt, was Licht einer Wellenlänge von 153,1(32) Nanometer entspricht, wobei die Zahl in Klammern die Unsicherheit der letzten Ziffern angibt. Diese Messung ebnet den Weg für eine direkte Laseranregung des Thorium-229-Isomers.

Veröffentlichung:
Tomas Sikorsky et al.
Measurement of the 229Th Isomer Energy with a Magnetic Microcalorimeter
Physical Review Letters, 28. September 2020
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.142503
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.142503

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