Ultrakalte Neutronen sollen Rätsel der Astrophysik lösen

5. Mai 2011, 16:14
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Mainzer Forscher entwickelten derzeit leistungsstärkste Quelle für UCN – Flaggschiff-Experiment soll Lebensdauer des Neutrons eruieren

Ultrakalte Neutronen - abgekürzt UCN - sind wesentlich langsamer als thermische Neutronen und zeichnen sich dadurch aus, dass sie in geeigneten Gefäßen gespeichert werden können. Diese Eigenschaft macht sie zu einem wichtigen Werkzeug für Experimente, mit denen Fragen zur Dominanz von Materie gegenüber Antimaterie im Universum oder zur Entstehung der leichtesten Elemente direkt nach dem Urknall erforscht werden können. UCN wurden an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) zum ersten Mal vor fünf Jahren erzeugt. Nun haben die Mainzer Wissenschafter die derzeit stärkste Quelle für ultrakalte Neutronen aufgebaut.

"Wir haben eine neue UCN-Quelle in Betrieb genommen und das Verfahren insgesamt so verbessert, dass wir nun wesentlich mehr ultrakalte Neutronen erzeugen und speichern können als bisher und als irgendjemand sonst", erklärt Werner Heil vom Institut für Physik. Mit einer Dichte von bislang 10 UCN pro Kubikzentimeter setzen sich die Mainzer Wissenschafter an die Weltspitze auf diesem Forschungsgebiet.

Abgebremste Neutronen

Den Mainzern war 2006 in einer Kooperation mit der TU München zum ersten Mal die Herstellung von ultrakalten Neutronen an einem gepulsten TRIGA-Reaktor gelungen. Bei dem Verfahren werden zunächst im Forschungsreaktor TRIGA Mainz durch Kernspaltung Neutronen erzeugt. Diese Spaltneutronen haben Geschwindigkeiten bis 30.000 Kilometer pro Sekunde - das ist ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit. Noch im Reaktor werden sie durch Wechselwirkung mit leichten Atomkernen auf eine "thermische" Geschwindigkeit von 2.200 Meter pro Sekunde abgebremst. Dann kommt die Entwicklung der Mainzer Wissenschafter zum Tragen: Ein Rohr von insgesamt drei Meter Länge wird in den Reaktor an die Stelle des höchsten thermischen Neutronenflusses geschoben. In diesem Rohr werden die thermischen Neutronen extrem verlangsamt.

Bei der neuen UCN-Quelle im Strahlrohr D des TRIGA Mainz, die gerade die erste Heißerprobung hinter sich hat, erfolgt die Abbremsung der Neutronen in zwei Stufen: zuerst durch Wasserstoff und dann durch einen Eisblock aus Deuterium bei minus 270 Grad Celsius. "Jetzt sind die Neutronen so langsam, dass wir praktisch hinterherlaufen könnten", beschreibt Heil das Ergebnis. Mit einem Tempo von 5 Meter pro Sekunde "gleiten" die UCN zum Experimentierplatz am anderen Ende des Rohrs. Damit auf dem Weg dorthin keine Neutronen verloren gehen, ist das Edelstahlrohr mit Nickel beschichtet.

Hoffnung auf 50 ultrakalte Neutronen pro Kubikzentimeter

Die entscheidende Maßzahl für die Wissenschafter ist jetzt die UCN-Dichte am Experimentierort - was die Attraktivität einer Anlage zur Durchführung von Hochpräzisionsexperimenten ausmacht. "Im ersten Test haben wir 10 UCN pro Kubikzentimeter in typischen Speichervolumina von 10 Litern erhalten. Mit Wasserstoff als Vormoderator und geringen Veränderungen können 50 UCN pro Kubikzentimeter erhalten werden ", erklären Thorsten Lauer und Yuri Sobolev, die die Anlage betreuen. Das reicht voll und ganz, um beispielsweise Langzeitexperimente zur Messung der Lebensdauer des Neutrons durchzuführen.

Die Lebensdauer des Neutrons beträgt nach derzeitigem Stand der Wissenschaft rund 885 Sekunden, ist jedoch wegen der schwierigen Messung nicht mit höchster Genauigkeit bekannt. Gemessen wird nach dem Prinzip "Counting the Survivors": Von der Anfangsmenge wird die Endmenge abgezogen, die nach dem Zerfall der Neutronen nach einer bestimmten Zeit noch übrig ist. "Die Lebensdauermessung leidet bisher darunter, dass es zu wenige ultrakalte Neutronen gibt", erläutert Christian Plonka-Spehr vom Institut für Kernchemie. (red)

  • In den Reaktor eingeschobene UCN-Quelle am Tag der heißen Inbetriebnahme: Durch das Edelstahlrohr links der Bildmitte "gleiten" die ultrakalten Neutronen von der Quelle bis zum Detektor.
    foto: t. lauer

    In den Reaktor eingeschobene UCN-Quelle am Tag der heißen Inbetriebnahme: Durch das Edelstahlrohr links der Bildmitte "gleiten" die ultrakalten Neutronen von der Quelle bis zum Detektor.

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