Quelle: Paul Scherrer Institut (PSI) 5. April 2023.

5. April 2023 – Der Detektor soll unter anderem Aufschluss über die komplexen Strahlungsverhältnisse sowie die hochdynamische magnetische Umgebung des Jupitersystems liefern.

Jupiter ist der grösste Planet unseres Sonnensystems – ein Gasriese, dessen Masse etwa einem Tausendstel der Masse unserer Sonne entspricht. Mit seinen über 80 Monden wirkt er fast wie ein eigenes Sonnensystem. Mit der ESA-Mission JUICE sollen unter anderem seine drei grössten Trabanten – Ganymed, Kallisto und Europa – erforscht werden. JUICE steht für Jupiter Icy Moons Explorer, also die Erforschung Jupiters eisiger Monde. Unter deren dicker Eisschicht vermuten Forschende gigantische Ozeane und damit möglicherweise ausserirdisches Leben. Nebst fundamentalen Fragen zur Entstehung von Planetensystemen will die Mission somit auch herausfinden, ob Jupiters eisige Monde die nötigen Bedingungen für die Entstehung und längerfristige Existenz von Leben, so wie wir es kennen, bieten.

Etwa acht Jahre wird die Weltraumsonde unterwegs sein, bis sie das Jupitersystem erreicht. Danach beginnt die vierjährige Mission. Dafür ist die Sonde mit elf hochkomplexen Messinstrumenten ausgerüstet. Eines davon stammt vom PSI und wurde unter der Leitung von Wojciech Hajdas im Labor für Teilchenphysik entwickelt. RADEM nennt sich das unscheinbare Kästchen, das mit seinen drei Kilogramm und seinen kompakten Massen eher an eine kleine Autobatterie als an einen hochkomplexen Teilchendetektor erinnert. Doch der Schein trügt: «RADEM steht für Radiation-hard Electron Monitor, also ein strahlungsresistenter Elektronenmonitor, der in der harschen Jupiterumgebung hochenergetische Teilchen detektieren wird», erklärt Hajdas.

Inmitten Jupiters Strahlungsgürteln
Wie die Erde besitzt auch Jupiter einen rotierenden, flüssigen Metallkern, der ein Magnetfeld erzeugt. Gelangen geladene Teilchen wie Elektronen und Protonen in dieses Feld, so werden sie darin gefangen und auf spiralförmigen Bahnen um den Planeten beschleunigt. Im Vergleich zur Erde ist diese Beschleunigung um ein Vielfaches stärker, was in hochenergetischer Synchrotronstrahlung, einer speziellen Form von Röntgenstrahlung, resultiert. Als ob dies nicht genug wäre, werden durch vulkanische Aktivitäten, wie sie beispielsweise auf Jupiters Mond Io häufig vorkommen, zusätzlich Atome und Moleküle ins All geschleudert. Durch Kollisionen mit den Elektronen werden diese ionisiert – das heisst, sie erhalten eine elektrische Ladung und geraten dadurch ebenfalls in den Bann von Jupiters gigantischem Magnetfeld.

Nicht nur für uns Menschen wären solch infernalische Strahlenbedingungen absolut tödlich – auch für unbemannte Raumsonden und deren anspruchsvolle Elektronik stellen sie eine grosse Gefahr da. «Die Elektronik wurde teilweise explizit für diese Mission entwickelt und weist eine hohe Strahlenresistenz auf. Alle Geräte in der Sonde sind zudem speziell verkleidet, damit sie der extremen Belastung in Jupiters Strahlungsgürteln standhalten können», erklärt Hajdas. «Dennoch kann ein längerer Aufenthalt in gewissen Zonen zu Schäden führen.» Um dies zu verhindern, ist RADEM direkt mit dem Bordcomputer der Sonde verbunden. «Wenn die Strahlendosis gewisse Werte überschreitet, löst der Detektor ein Alarmsignal aus. Da Ausweichmanöver nur schwer durchführbar sind, können in solchen Fällen besonders sensitive Geräte ausgeschaltet und dadurch geschützt werden, bis die Strahlungswerte wieder innerhalb der zulässigen Grenzen liegen», so Hajdas.

RADEM dient jedoch nicht nur als Alarmglocke – seine weitere Mission besteht darin, die komplexen Strahlungsgürtel von Jupiter zu kartieren und Informationen über deren Umgebung und die darin enthaltenen Teilchen zu sammeln. «Das Jupitersystem ist absolut einzigartig – es zählt zu den strahlungsintensivsten Umgebungen im ganzen Sonnensystem; ein gigantischer, natürlicher Teilchenbeschleuniger», so Hajdas. «Dies bietet nicht nur einen vertieften Einblick in die Grundlagen der Physik – Modelle der dort herrschenden Wechselwirkungen können auch auf andere Systeme wie beispielsweise Sonnenaktivitäten und deren Einfluss auf die Strahlungsgürtel und die Magnetosphäre der Erde angewandt werden.»

Für seine Mission ist RADEM mit vier separaten Detektoren ausgestattet – für jede Teilchensorte einer: Elektronen, Protonen und schwere Ionen. «Der vierte Detektor registriert entweder Elektronen oder Protonen», erklärt Hajdas. «Mit einer Winkelabdeckung von etwa 35 Prozent lässt sich damit die Einfallsrichtung dieser Teilchen und damit die räumliche Verteilung der Strahlungsumgebung bestimmen.» All diese Daten müssen dabei innerhalb kürzester Zeit verarbeitet und gespeichert werden – alles auf engstem Raum, um das Gerät so leicht wie möglich zu gestalten.

Ausserirdisches Leben unter Eis und Strahlung?
Jupiters Strahlungsgürtel reichen mehrere Millionen Kilometer weit ins All – die höchsten Teilchendichten und -geschwindigkeiten wurden dabei rund 670.000 Kilometer um den Gasriesen innerhalb der Umlaufbahn von Jupiters Eismond Europa registriert. Auf den ersten Blick scheint es somit paradox, dass man ausgerechnet einen Mond, der sich etwa 780 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt in einer solch unwirklichen und eisigen Todeszone bewegt, als potenziellen Lebensraum für ausserirdisches Leben vermutet. Während die Strahlung jegliches Leben auf Europas Oberfläche unmöglich macht, könnte sie jedoch durch Wechselwirkungen mit der Eisschicht chemische Reaktionen hervorrufen, welche als Treibstoff für Leben dienen. Die tödliche Strahlung wäre somit in der Lage, mikrobielles Leben indirekt mit Energie zu versorgen – ganz ohne Fotosynthese oder dem Vorhandensein hydrothermaler Quellen.

«Durch die gesammelten Daten früherer Missionen und aus Beobachtungen von der Erde aus existieren viele Vermutungen und Berechnungen zur Existenz von Leben auf Jupiters Monden», erklärt Hajdas. «Mit JUICE sind wir in der Lage, das komplexe Jupitersystem besser zu verstehen. Es geht nicht darum, Leben zu finden, sondern darum, die Umgebung besser zu verstehen, um vielleicht auf einen möglichen oder unmöglichen Lebensraum zu schliessen.»

RADEM überwacht auch das Weltraumwetter
Während für die achtjährige Reise ein Grossteil der JUICE-Messgeräte ausgeschaltet bleibt, hat RADEM auch unterwegs eine Mission zu erfüllen; und zwar die Vermessung der Strahlungsumgebung des Sonnensystems und deren Zusammenspiel mit der Sonnenaktivität. «Zwischen Venus und Jupiter wird RADEM die Teilchenspektren und deren Dosen im Weltraum bestimmen und damit einen wichtigen Parameter für das sogenannte Weltraumwetter in dieser Region kartieren», erklärt Hajdas. Die Sonne schleudert permanent Teilchen ins All. Diese können nicht nur zu Strahlungsschäden an Satelliten führen, sondern auch das Magnetfeld der Erde stören. Schwankungen dieser Ströme können in elektrischen Leitungsnetzen zu Überspannungen und damit zu Ausfällen führen. «Die Aktivität unserer Sonne folgt einem regelmässigen Zyklus von etwa elf Jahren – in dieser Zeit pendelt sie zwischen einer Ruhephase und einer Phase gehäufter Sonnenstürme. RADEM soll helfen, diese Aktivitäten und ihren Einfluss auf unseren Planeten und auf künftige Missionen, wie beispielsweise eine etwaige bemannte Marsmission, besser zu verstehen», erklärt Hajdas.

Anders als ähnliche Expeditionen findet deshalb die JUICE-Mission während eines sogenannten solaren Maximums statt – also einer sehr aktiven Sonnenphase. Um die Funktionalität des Detektors während dieser Reise und vor allem auch während seines Aufenthalts im Jupitergürtel zu gewährleisten, musste man ihn im Laufe seiner Entwicklung mehreren Stresstests unterziehen. «Das PSI mit seinen Grossforschungsanlagen bietet einzigartige Möglichkeiten, die Strahlenbelastung im Weltall zu imitieren», erklärt der Teilchenphysiker. «Mit der Protonenbestrahlungsanlage PIF, der Protonenbeschleuniger HIPA sowie einer speziellen Vakuumkammer für Elektronen mit niedriger Energie, konnten wir Bedingungen wie im Weltall erzeugen und RADEM bestmöglich auf seine Mission vorbereiten.» Auch andere Forschungseinrichtungen, die an der Mission beteiligt sind, wie beispielsweise die Universität Bern, welche ebenfalls zwei Detektoren für JUICE entwickelt hat, brachten ihre Geräte für die Strahlentests ans PSI.

Mit seinen renommierten Grossforschungsanlagen hat das PSI einzigartiges Wissen im Hinblick auf Entwicklung und Betrieb von Teilchendetektoren hervorgebracht – Wissen, das nicht nur in den Laboren, sondern nun auch in den Weiten des Alls auf dieser wichtigen Mission seine Anwendung findet.

Text: Paul Scherrer Institut/Benjamin A. Senn

Über die JUICE-Mission
Nach etwa achtjähriger Reise soll die Weltraumsonde JUICE das Jupitersystem im Juli 2031 erreichen. Das System befindet sich knapp 780 Millionen Kilometer von der Sonne entfernt – eine eiskalte und dunkle Welt. Die Temperaturanzeige auf der Oberfläche der Eismonde kann bis zu minus 140 Grad Celsius fallen.

JUICE wird zuerst den Mond Ganymed anpeilen – das Hauptziel der Mission. Ganymede ist etwa anderthalbmal so gross wie der Erdenmond und damit der grösste Mond im Sonnensystem. Es handelt sich auch um den einzigen Mond unseres Sonnensystems, der ein eigenes Magnetfeld generiert – die Wechselwirkung mit Jupiters Magnetosphäre ist hierbei von besonderem Interesse. Frühere Weltraummissionen und Modellrechnungen legen nahe, dass tief unter Ganymeds 150 Kilometer dicker Eisschicht ein Ozean liegt. Die Gravitationswechselwirkung mit Jupiter könnte Energie in Form von Wärme und damit die notwendige Bedingung für die Entstehung und längerfristige Existenz von Leben bieten. Zwölf Vorbeiflüge wird JUICE vollführen und sich dabei der Oberfläche bis zu 200 Kilometer nähern.

Auch der Mond Kallisto ist mit einer dicken Eiskruste bedeckt. Allerdings ist man hier nicht sicher, ob sich ebenfalls ein Ozean darunter verbirgt. Seine Kraterlandschaft lässt vermuten, dass keine geologische Aktivität vorhanden ist und es sich um eine der wohl ältesten Oberflächen im Jupitersystem handelt. Innerhalb von einundzwanzig Vorbeiflügen soll sich JUICE auch hier bis zu 200 Kilometer der Oberfläche annähern.

Wegen seiner harschen Strahlenumgebung sind für den Mond Europa bloss zwei Vorbeiflüge mit etwa 400 Kilometer Abstand zur Oberfläche geplant. Diese Oberfläche ist im Vergleich zu Kallisto viel jünger und wird permanent durch tektonische Aktivitäten verändert. Im Vergleich zu Ganymed ist die Eiskruste mit etwa 15 Kilometern Dicke viel dünner. Der gigantische Ozean, der darunter vermutet wird, soll mehr Wasser als alle Ozeane der Erde zusammen enthalten. Ähnlichkeiten mit der irdischen Tiefseeumgebung lassen vermuten, dass Europas Ozeane von mikrobiologischen Lebewesen bevölkert wird. Europa gilt als der vielversprechendste Fundort für Leben ausserhalb der Erde. Bei seinen zwei Vorbeiflügen wird JUICE versuchen, Proben von Meerwasser, das aus Rissen in der Eiskruste eruptiert, zu entnehmen, um es auf organische Moleküle zu untersuchen. Diese könnten auf die Präsenz von Leben hinweisen.

Nebst dem PSI unterstützt die Universität Bern als zweite Schweizer Institution die JUICE-Mission und entwickelte dafür den sogenannten Neutral-Ionen-Massenspektrometer NIM, um die Zusammensetzung der Mondatmosphären zu bestimmen.

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Zukunftstechnologien, Energie und Klima, Health Innovation und Grundlagen der Natur. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2200 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 400 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

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

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Quelle: Paul Scherrer Institut (PSI) 27. März 2023.

27. März 2023 – «We are stardust, we are golden. We are billion-year-old carbon.» In ihrem Song Woodstock besangen Crosby, Stills, Nash & Young, woraus auch wir Menschen letztendlich zusammengesetzt sind: aus Sternenstaub. Wer sich in der Astronomie ein wenig auskennt, kann den Text der amerikanischen Kultband bestätigen – die Planeten und wir Menschen bestehen tatsächlich aus dem Staub ausgebrannter Supernovae und aus Milliarden Jahren alten Kohlenstoffverbindungen. Das Weltall ist ein riesiger Reaktor und wer diese Reaktionen versteht, versteht die Geburt und die Entwicklung des Universums – und woher wir kommen.

Ein Rätsel war bisher die Bildung von Fullerenen und deren Derivate im All. Das sind fußball-, schüssel- oder röhrchenförmige Moleküle aus Kohlenstoff, die erstmals in den 1980ern im Labor erzeugt wurden. 2010 fand das Infrarot-Weltraumteleskop Spitzer die C60-Fussballmoleküle, sogenannte Buckyballs, im planetarischen Nebel TC-1. Sie sind damit die größten Moleküle, die bisher im Weltraum außerhalb unseres Sonnensystems nachgewiesen wurden.

Aber wie entstehen sie dort? Ein Team von Forschenden aus Honolulu (USA), Miami (USA) und Tianjin (China) hat nun einen wichtigen Reaktionsschritt bei der Entstehung der Moleküle nachvollzogen – mit tatkräftiger Unterstützung des PSI und der Vakuum-Ultraviolett-Strahllinie der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. «Das PSI bietet einzigartige Experimentiermöglichkeiten und deshalb haben wir uns für eine Kooperation mit Patrick Hemberger vom PSI entschieden», sagt Ralf Kaiser von der University von Hawaii in Honolulu, der international führende Forscher auf diesem Gebiet.

Ein Minireaktor für Fullerene
Patrick Hemberger, Wissenschaftler an der VUV-Strahllinie am PSI, hat einen Minireaktor aufgebaut, um die Bildung der Fullerene live beobachten zu können. In einem 1000 Grad Celsius heißen Reaktor wird ein Corannulenylradikal (C₂₀H₉) erzeugt. Dieses Molekül sieht aus wie eine Salatschale, in etwa so, als hätte man eine Schüssel vom C60-Fussballmolekül abgeschnitten. Dieses Radikal ist extrem reaktionsfreudig, wodurch es mit Vinylacetylen (C₄H₄) reagiert, welches am Rand der Schale eine Lage Kohlenstoff andockt. «Würde man diesen Prozess vielfach wiederholen, würde das Molekül zu einer Endkappe eines Nano-Röhrchens anwachsen, was wir durch Computersimulationen zeigen konnten», erklärt Alexander Mebel, Professor für Chemie an der Florida International University und einer der Autoren der Studie. Doch das war nicht das alleinige Ziel der Forschenden. «Wir wollten zeigen, dass diese Art der Reaktion überhaupt möglich ist», ergänzt Ralf Kaiser.

Bei der Reaktion entstehen verschiedene Isomere, das sind Moleküle, die alle die gleiche Masse haben, aber leicht unterschiedliche Strukturen. Mit der üblichen Massenspektrometrie liefern alle diese Varianten das gleiche Signal. Anders bei der Photoelektronen-Photoionen-Koinzidenz-Spektroskopie, die das Team hier verwendet hat. «Dort lässt die Struktur der Messkurve Rückschlüsse auf jedes einzelne Isomer zu», so Patrick Hemberger.

Dem Rätsel klassischer Fußballmoleküle auf der Spur
«Im Universum finden wir einen wilden Zoo aus Molekülen und chemischen Reaktionen – nicht alle lassen sich in den Signalen aus den Teleskopen eindeutig zuordnen», so Ralf Kaiser. Aus Modellen ist bekannt, dass es im All sowohl Corannulenyl als auch Vinylacetylen gibt. Nun konnte bestätigt werden, dass diese Moleküle tatsächlich Bausteine zu Fullerenen bilden. «Deshalb ist das Experiment am PSI so wertvoll für uns.»

Das ist aber mit der erfolgreichen Publikation in Nature Communications nicht abgeschlossen. In weiteren Experimenten wollen die Forschenden verstehen, wie sich im All die klassischen Buckyballs bilden, die fußballförmigen Fullerene mit 60 Kohlenstoffatomen sowie die röhrchenförmigen Nanotubes mit noch mehr Atomen.

(Text: Bernd Müller)

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt große und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Zukunftstechnologien, Energie und Klima, Health Innovation und Grundlagen der Natur. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2200 Mitarbeitende, das damit das größte Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 400 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Originalveröffentlichung
Gas Phase Synthesis of the C40 Nano Bowl C₄₀H₁₀
Lotefa B. Tuli, Shane J. Goettl, Andrew M. Turner, A. Hasan Howlader, Patrick Hemberger, Stanislaw F. Wnuk, Tianjian Guo, Alexander M. Mebel, Ralf I. Kaiser
Nature Communications, 18.03.2023
DOI: 10.1038/s41467-023-37058-y
https://www.nature.com/articles/s41467-023-37058-y
pdf: https://www.nature.com/articles/s41467-023-37058-y.pdf

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• Chemie im All

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Ein neuartiges Forschungsinstrument hat ein internationales Wissenschaftlerteam – die Gamma Factory Initiative – im Blick. Sie schlägt vor, eine Quelle von hochintensiven Gammastrahlen zu entwickeln und dazu die vorhanden Beschleunigeranlagen am CERN zu nutzen. Dazu sollen in den SPS- und LHC-Speicherringen später einmal spezielle Ionenstrahlen zirkulieren, die durch Laserlicht dazu angeregt werden, Photonen zu emittieren. In der gewählten Konstellation liegen die Photonen energetisch im Gammastrahlen-Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Dieser ist für die Spektroskopie von Atomkernen besonders interessant. Darüber hinaus soll der Gammastrahl eine sehr hohe Intensität aufweisen, die mehrere Größenordnungen über den derzeit im Betrieb befindlichen Anlagen liegt. Eine derart konzipierte Gamma-Fabrik wird bahnbrechende Experimente in der Spektroskopie und neue Testmethoden für grundlegende Symmetrien der Natur ermöglichen, beschreiben die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Annalen der Physik“.

Im Zentrum der Gamma-Fabrik stehen besondere Ionenstrahlen – sie bestehen aus schweren Elementen wie Blei, haben aber fast alle Elektronen in der äußeren Hülle abgestreift. Normalerweise hat ein Bleiatom 82 Protonen im Kern und 82 Elektronen in der Hülle. Bleiben von diesen nur noch ein oder zwei Elektronen übrig, entstehen so genannte „Partially Stripped Ions“ – kurz PSI. In einer künftigen Gamma-Fabrik zirkulieren sie in einem Hochenergie-Speicherring – wie etwa dem Super Proton Synchrotron (SPS) oder dem Large Hadron Collider (SPS) am CERN.

PSI bieten einzigartige Möglichkeiten für die Erforschung verschiedener grundlegender Fragen in der modernen Wissenschaft. Im Bereich der Atomphysik dienen sie im übertragenden Sinne als Mini-Labor, um zu untersuchen, wie sich Systeme mit wenigen Elektronen verhalten, wenn sie starken elektromagnetischen Feldern ausgesetzt sind – letztere werden im Falle von PSI von den Atomkernen selbst erzeugt.

Die Hauptidee der Gamma-Fabrik ist es nun, einen Laserstrahl frontal auf einen beschleunigten PSI-Strahl prallen zu lassen. Im „PSI-Labor“ lassen sich so durch die einfallenden Photonen angeregte Zustände erzeugen, indem Elektronen auf höhere Bahnen befördert werden – ein ideales Testsystem, welches detaillierte Atom-spektroskopische Untersuchungen ermöglicht (Primärstrahlspektroskopie). Die mit dem Laserstrahl angeregten PSI emittieren ihrerseits wiederum Photonen, die in einer Vielzahl von weiteren Experimenten außerhalb des „PSI-Labors“ eingesetzt werden können (Sekundärstrahlspektroskopie). Der hierbei erzeugte Strahl von Gammastrahlen weist hohe Energien bis zu 400 Megaelektronenvolt auf, das entspricht einer Wellenlänge von 3 Femtometern. Zum Vergleich: Sichtbares Licht hat eine um acht Größenordnungen kleinere Photonenenergie bzw. größere Wellenlänge.

„Die Gamma-Fabrik, die wir vorschlagen, bietet uns damit gleich zwei ungemein spannende Perspektiven: Sie ist einerseits eine sehr intensive Lichtquelle, die hochenergetische Gammastrahlen mit einem ganz spezifischen Frequenzband erzeugt und gleichzeitig eine Riesenionenfalle, in der wir die im Speicherring zirkulierenden PSI spektroskopisch ganz genau unter die Lupe nehmen können“, erläutert Prof. Dr. Dmitry Budker vom Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und dem Helmholtz-Institut Mainz und einer der Autoren der aktuellen Veröffentlichung. „In unserem Artikel beschreiben wir einerseits die zahlreichen Möglichkeiten, die beide Ansätze bieten. Andererseits ist es wichtig, die aktuellen und künftigen Herausforderungen zu adressieren, die mit der Etablierung einer solchen Gamma-Fabrik verbunden sind.“

Beispiele für spannende physikalische Anwendungen der Primärstrahlspektroskopie sind Messungen von Atomparitäts-Verletzungseffekten in PSI – diese sind eine Folge der schwachen Wechselwirkungen zwischen den subatomaren Teilchen – sowie Messungen der Verteilung der Neutronen in den Kernen der PSI – diese Messungen würden einige der wichtigsten Forschungsaktivitäten in Mainz ergänzen. Die sekundären, hochenergetischen Gammastrahlen mit exakt kontrollierter Polarisation werden beispielsweise in Verbindung mit „festen“ polarisierten Targets verwendet, um die Struktur der Atomkerne und die für die Astrophysik relevanten Kernreaktionen zu untersuchen. Die sekundären Gammastrahlen können darüber hinaus zur Erzeugung intensiver tertiärer Strahlen, beispielsweise aus Neutronen, Myonen oder Neutrinos, verwendet werden.

Für einen optimalen Betrieb der Gamma-Fabrik sind eine Reihe von technologischen Herausforderungen zu bewältigen. „So müssen wir beispielsweise lernen, ultrarelativistische PSI mittels Laserkühlung zu behandeln, um deren Energieausbreitung zu reduzieren und so einen wohldefinierten Strahl zu erhalten“, erläutert Dmitry Budker. „Während die Laserkühlung von Ionen bei niedrigeren Energien beispielsweise an der GSI in Darmstadt untersucht wurde, ist sie bei solch hohen Energien wie in der Gamma-Fabrik noch nicht durchgeführt worden.“

Reine Zukunftsmusik ist die Gamma-Fabrik nicht mehr, denn im Juli 2018 vollzog sie am CERN einen großen Schritt von der Idee zur Realität: Der Gamma Factory-Gruppe gelang es zusammen mit den Beschleunigerexperten des CERN, Strahlen aus Wasserstoff- und Helium-ähnlichem Bleiionen mehrere Minuten lang im SPS zirkulieren zu lassen. Der Wasserstoff-ähnliche Strahl wurde weiter in den LHC injiziert, wo er mehrere Stunden weiter zirkulierte. „Der nächste entscheidende Schritt ist das spezielle Proof-of-Principle-Experiment am SPS des CERN durchzuführen, das das gesamte Konzept der Gamma-Fabrik validieren soll“, skizziert Dmitry Budker die nächste spannende Stufe. Die Gamma-Fabrik ist ein wegweisender Vorschlag, der derzeit im Rahmen des CERN-Programms „Physics Beyond Colliders“ untersucht wird.

Veröffentlichung:
Dmitry Budker, José R. Crespo López-Urrutia, Andrei Derevianko, Victor V. Flambaum, Mieczyslaw Witold Krasny, Alexey Petrenko, Szymon Pustelny, Andrey Surzhykov, Vladimir A. Yerokhin, and Max Zolotorev, Atomic Physics Studies at the Gamma Factory at CERN,
Ann. Phys. (Berlin) 2020, 2000204
DOI: 10.1002/andp.202000204

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• Large Hadron Collider

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Eine internationale Forschungskollaboration unter Beteiligung des Exzellenzclusters PRISMA⁺ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat am Paul Scherrer Institut (PSI) eine Eigenschaft des Neutrons so genau wie noch nie vermessen. Dabei fanden die Wissenschaftler heraus, dass das Teilchen ein deutlich kleineres elektrisches Dipolmoment hat als bisher bekannt. Das Ergebnis erzielten die Wissenschaftler mithilfe der Quelle für ultrakalte Neutronen des PSI in der Schweiz. Sie veröffentlichen es heute im Fachblatt Physical Review Letters.

Beim Urknall entstand sowohl die Materie des Universums als auch die sogenannte Antimaterie – so zumindest die gängige Theorie. Da sich die beiden allerdings gegenseitig auslöschen, muss ein Überschuss an Materie entstanden sein, der bis heute übrig geblieben ist. Die Ursache für diesen Materie-Überschuss ist eines der großen Rätsel der Physik und Astronomie. Einen Hinweis auf das dahinterliegende Phänomen hoffen Forschende unter anderem mithilfe von Neutronen zu finden, den elektrisch ungeladenen Bausteinen der Atomkerne. Die Vermutung: Hätte das Neutron ein sogenanntes elektrisches Dipolmoment (kurz: nEDM) mit einem messbaren Betrag ungleich null, könnte dahinter das gleiche physikalische Prinzip stecken, das auch den Überhang an Materie nach dem Urknall erklären würde.

50.000 Messungen

Die Suche nach dem nEDM lässt sich alltagssprachlich ausdrücken als die Frage, ob das Neutron ein elektrischer Kompass ist oder nicht. Schon lange ist klar, dass das Neutron ein magnetischer Kompass ist und auf ein Magnetfeld reagiert, oder im Fachjargon: ein magnetisches Dipolmoment besitzt. Sollte das Neutron zusätzlich auch ein elektrisches Dipolmoment haben, wäre dessen Wert sehr viel geringer – und daher ungleich schwieriger zu messen. Das haben bereits frühere Messungen anderer Forschungsgruppen ergeben. Daher musste die Forschungsgruppe bei ihrer jetzigen Messung am PSI das lokale Magnetfeld mit hohem Aufwand sehr konstant halten – und kleinste Störungen aus den Versuchsdaten herausrechnen. Das ist die Spezialität von Prof. Dr. Martin Fertl, Physiker am Exzellenzcluster PRISMA⁺, und seiner Forschungsgruppe: „Um dies zu bewerkstelligen haben wir extrem empfindliche Magnetometer entwickelt und eingesetzt, die unter anderem auf dem Prinzip der gepulsten Kernspinresonanz basieren.“

Auch die Anzahl der beobachteten Neutronen musste entsprechend groß sein, um eine Chance zu haben, ihr nEDM zu messen. Am PSI liefen die Messungen daher über einen Zeitraum von zwei Jahren. Vermessen wurden sogenannte ultrakalte Neutronen, also Neutronen mit vergleichsweise langsamer Geschwindigkeit. Alle 300 Sekunden wurde für acht Sekunden ein Bündel mit über 10.000 Neutronen zum Experiment gelenkt und untersucht. Insgesamt vermaßen die Forschenden 50.000 solcher Bündel. Um die Neutronen entsprechend auf den rechten Weg zu bringen, musste zwischen der Neutronenquelle und der eigentlichen Speicherkammer eine Neutronenweiche installiert werden. „Diese Weiche wurde in der Kernchemie in Mainz konstruiert und anschließend der Aufbau am PSI eng begleitet“, berichtet Prof. Dr. Dieter Ries, ebenfalls vom Mainzer Exzellenzcluster PRISMA⁺. Er war darüber hinaus schon im Rahmen seiner Doktorarbeit maßgeblich an der Entwicklung und Charakterisierung der Quelle für ultrakalte Neutronen am PSI beteiligt.

Das neue Resultat hat ein Zusammenschluss von Forschenden an 18 Instituten und Hochschulen in Europa und den USA anhand von Daten ermittelt, die an dieser Quelle für ultrakalte Neutronen des PSI gesammelt worden waren. Die Forschenden hatten die Messdaten in zwei getrennten Teams sehr sorgfältig ausgewertet und dadurch ein genaueres Ergebnis als je zuvor erhalten.

Suche nach „neuer Physik“

Ihr Fazit: „Unser jetziges Ergebnis zeigt, dass der wahre Wert für das nEDM zu klein ist, um ihn mit unserer bislang erreichten Messgenauigkeit zu erfassen – der Wert ist also weiter hin zur Null gerückt“, sagt Prof Dr. Werner Heil, ebenfalls von Mainzer Seite am nEDM-Projekt beteiligt. „Es bleibt aber spannend, ein endliches nEDM aufzuspüren, um zu erfahren, ob sich hierüber neue Physik entdecken lässt.“

Daher ist die nächste, noch genauere Messung bereits in Planung: Die neue Messreihe soll ab 2021 starten und die jetzige wiederum in ihrer Genauigkeit übertreffen. „Der Aufbau für die neue Messung basiert auf vielen Erfahrungen, die wir mit dem vorherigen Experiment gemacht haben. Er ist in vielerlei Hinsicht, zum Beispiel bezogen auf die Parameter der Neutronenquelle und auf die Minimierung systematischer Messfehler, optimiert und in diesem Sinne wegweisend“, so Dieter Ries abschließend.

Text: Erstellt auf der Grundlage einer Pressemitteilung des Paul Scherrer Instituts

Veröffentlichung:

C. Abel et al., Measurement of the permanent electric dipole moment of the neutron
Physical Review Letters 28. Februar 2020 (online)
Abstract: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.081803

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• Antimaterie

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