Wie schwere Elemente im Universum entstehen

    13. März 2019, 09:30
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    Astrophysiker untersuchen Protoneneinfang in einem Ionenspeicherring

    Der Großteil der Materie im Universum besteht aus Wasserstoff und Helium. Der Rest entsteht bei Funsionsreaktionen im Inneren von Sternen oder durch den Einfang von Wasserstoff-Kernen also Protonen, wenn Sterne ihr Leben bei Supernovae aushauchen oder aber an der Oberfläche von Neutronensternen, die ebenfalls den Schlusspunkt einer stellaren Existenz darstellen. Diese Vorgänge finden bei extrem hohen Temperaturen statt, jedoch bei relativ geringen Energien. Einem internationalen Forscherteam ist es nun gelungen, die Bildung von Elementen jenseits des Wasserstoffs in einem Ionenspeicherring zu untersuchen.

    Protoneneinfang im Gamow-Fenster

    Konkret ging es den Forschern um Jan Glorius von der Goethe-Universität Frankfurt am Main darum, die Wahrscheinlichkeit für einen Protoneneinfang in astrophysikalischen Szenarien genauer zu bestimmen. Dabei waren sie mit zwei Herausforderungen konfrontiert. "Die Reaktionen treten am wahrscheinlichsten in einem Energieintervall auf, das wir als Gamow-Fenster bezeichnen", erklärt Glorius. "In diesem Intervall sind die Atomkerne eher langsam und damit in der benötigten Intensität schwer zu bekommen. Des Weiteren fällt der Wirkungsquerschnitt, also die Wahrscheinlichkeit für den Protoneneinfang, sehr stark mit der Energie ab. Es war bisher kaum möglich, geeignete Bedingungen für solche Reaktionen im Labor herzustellen."

    Eine Lösung schlug bereits vor 10 Jahren René Reifarth, Professor für Experimentelle Astrophysik an der Goethe-Universität, vor: Die niedrigen Energien im Bereich des Gamow-Fensters lassen sich präziser einstellen, wenn man die schweren Reaktionspartner in einem Beschleuniger kreisen lässt, in dem sie auf ein ruhendes Protonengas treffen. Erste Erfolge erzielte er im September 2015.

    Aus Xenon wird Cäsium

    Im Experiment stellten die Wissenschafter zunächst Xenon-Ionen her. Im Experimentierspeicherring ESR wurden sie abgebremst und mit Protonen zur Wechselwirkung gebracht. Dabei kam es zu Reaktionen, in denen Xenon-Kerne ein Proton einfingen und sich in das schwerere Cäsium umwandelten – ein Vorgang, wie er auch in astrophysikalischen Szenarien stattfindet.

    "Das Experiment trägt entscheidend dazu bei, unser Verständnis der Nukleosynthese im Kosmos voranzubringen", sagt Reifarth. "Denn Dank der leistungsstarken Beschleunigeranlage an der GSI konnten wir die experimentelle Technik zum Abbremsen des schweren Stoßpartners verbessern. Wir wissen jetzt auch genauer, in welchem Bereich die bisher nur theoretisch vorhergesagten Reaktionsraten liegen. So können wir künftig die Entstehung der Elemente im Universum noch präziserer modellieren." (red, 13.3.2019)

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