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Langsame Ionen und die Elemententstehung im Urknall
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung
GmbH
astronews.com
30. April 2026
Einem internationalen Forschungsteam ist ein wichtiger
Meilenstein für die Astrophysik gelungen: Im Speicherring CRYRING@ESR in
Darmstadt konnten erstmals Kernreaktionen bei so niedrigen Energien gemessen
werden, wie sie auch im Inneren von Sternen herrschen. In Zukunft hofft man
daher, die Entstehung der Elemente im Universum experimentell noch genauer
untersuchen zu können.
Das Setup, mit dem das Experiment in
Darmstadt durchgeführt wurde.
Foto: C. Bruno, GSI/FAIR [Großansicht] |
In den extremen Umgebungen von Sternen laufen nukleare Prozesse häufig bei
sehr niedrigen Energien ab. Diese sogenannten "sub-MeV-Energien" (unterhalb
eines Megaelektronenvolts) sind im Labor nur schwer nachzustellen, da die
Wahrscheinlichkeit, dass die Atomkerne bei solch geringem Tempo überhaupt
miteinander reagieren, extrem gering ist. Im GSI/FAIR-Speicherring CRYRING@ESR
in Darmstadt konnten die Forschenden die Energie, die für die Kernreaktion im
Schwerpunkt der beiden Teilchen zur Verfügung steht, bis auf 403
Kiloelektronenvolt absenken. Dies markiert einen neuen Rekord: Es ist die
niedrigste Energie, bei der jemals eine Kernreaktion in einem
Schwerionen-Speicherring gemessen wurde.
"Die größte Herausforderung bei der Realisierung von Kernreaktionen bei
so niedrigen Energien in Speicherringen ist die sehr kurze Lebensdauer des
Strahls", erklärt Jordan Marsh von der University of Edinburgh. "Bei
niedrigeren Energien gehen Ionen durch atomare Prozesse wie das Abstreifen von
Elektronen deutlich häufiger verloren, sodass weniger Teilchen für die von uns
gewünschten Reaktionen zur Verfügung stehen. Dies zu überwinden erfordert sowohl
extrem hohe Vakuumbedingungen als auch das Können der Strahloperatoren, die eng
fokussierte, elektronen-gekühlte Ionenstrahlen erzeugen."
Das internationale Team untersuchte in seinem Experiment u. a. Reaktionen von
Stickstoff-Ionen, die auf Protonen trafen. Dafür wurde ein Ionenstrahl in den
CRYRING@ESR injiziert, auf die gewünschte Energie gebracht und mit einem
sogenannten Elektronenkühler extrem präzise ausgerichtet. Im Ring kreuzte der
Strahl dann ein kryogenes Wasserstoff-Gastarget. Für die Detektion der
Reaktionsprodukte, die bei diesem Prozess entstehen, kam das hochauflösende
Messsystem CARME (CRYRING Array for Reaction Measurements) zum Einsatz. Die
gesammelten Daten stimmen sehr gut mit theoretischen Vorhersagen überein und
belegen, dass die experimentelle Methode hervorragend funktioniert. Dieser
Erfolg im Rahmen des FAIR Phase-0-Forschungsprogramms öffnet die Tür für eine
Vielzahl künftiger Experimente. Zukünftig sollen am CRYRING@ESR auch exotische
Atomkerne genutzt werden, die in Sternen eine zentrale Rolle spielen.
Da CRYRING@ESR über eine eigene Ionenquelle verfügt, werden dort noch dieses
Jahr weiter Experimente stattfinden. Die Kombination aus hochpräzisen
Speicherringen und modernster Detektortechnik wird dabei helfen, ungelöste
Rätsel der Kernastrophysik zu knacken. "Ich bin besonders begeistert von den
Forschungsmöglichkeiten bezüglich der Big-Bang-Nukleosynthese, also den Prozess,
bei dem die leichten Elemente in den ersten Minuten nach dem Urknall entstanden
sind", sagt Marsh. "Am CRYRING@ESR planen wir, Kernreaktionen mit Deuterium zu
untersuchen, einem Schlüsselisotop der Big-Bang-Nukleosynthese, was uns
hoffentlich ermöglichen wird, die Bedingungen im frühen Universum besser zu
verstehen.“
Die neuen Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift The European
Physical Journal A veröffentlicht.
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