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Einem internationalen Forschungsteam ist bei GSI/FAIR in Darmstadt ein wichtiger Meilenstein für die Astrophysik gelungen: Im Speicherring CRYRING@ESR konnten die Wissenschaftler*innen erstmals Kernreaktionen bei so niedrigen Energien messen, wie sie auch im Inneren von Sternen herrschen. Dieser neuartige experimentelle Zugang schafft die Grundlage, um die Entstehung der Elemente im Universum künftig noch genauer zu entschlüsseln.
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 FAIR-Speicherring CRYRING@ESR 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 neuen Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift The European Physical Journal A veröffentlicht.
„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, Erstautor der Studie. „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 (BBN), 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 BBN, was uns hoffentlich ermöglichen wird, die Bedingungen im frühen Universum besser zu verstehen.“
https://link.springer.com/article/10.1140/epja/s10050-025-01783-3
Erstautor Jordan Marsh, University of Edinburgh
Copyright: G. Duwald, GSI/FAIR
CARME-Setup, mit dem das Experiment durchgeführt wurde
Copyright: C. Bruno, GSI/FAIR
Criteria of this press release:
Journalists
Physics / astronomy
transregional, national
Scientific Publications
German
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