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Die Elemententstehung im Universum untersuchen – Langsame Ionenstrahlen am GSI-Experimentierspeicherring

Foto: G. Otto, GSI

Am ESR

 

12.03.2019

Chemische Elemente entstehen im Weltall, unter anderem in Sternenexplosion oder an der Oberfläche von Neutronensternen. Ein wichtiger Prozess zur Elementerzeugung ist der Einfang von Wasserstoff-Kernen (Protonen), der ein Element des Periodensystems in ein anderes umwandelt. Er findet bei extremen Temperaturen, jedoch bei relativ geringen Energien der beteiligten Teilchen statt. Einem internationalen Forscherteam ist es nun gelungen, den Protoneneinfang am Experimentierspeicherring des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung zu untersuchen. Ziel war es, die Wahrscheinlichkeit genauer zu bestimmen, mit der ein Protoneneinfang in astrophysikalischen Szenarien stattfinden kann.Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Im Experiment brachten die Forscherinnen und Forscher das Edelgas Xenon zuerst mithilfe der GSI-Beschleuniger auf hohe Geschwindigkeiten, um die komplette Elektronenhülle der Atome abzustreifen. Die übrig gebliebenen Atomkerne wurden anschließend in den Experimentierspeicherring ESR eingespeist und abgebremst. Die Xenon-Kerne wurden dann an einer im Ring eingebauten Materialprobe, dem sogenannten Gas-Target, mit Wasserstoffkernen 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 erwartet wird.

Die Forscherinnen und Forscher sind bei der Untersuchung solcher Phänomene insbesondere mit zwei Herausforderungen konfrontiert, wie Dr. Jan Glorius aus der GSI-Forschungsabteilung Atomphysik erläutert: „Das Energieinterval, in dem die Reaktionen am wahrscheinlichsten unter astrophysikalischen Bedingungen auftreten, nennt man das Gamow-Fenster. Die Atomkerne innerhalb des Gamow-Fensters haben relativ geringe Energien von nur wenigen Megaelektronenvolt oder weniger. In anderen Worten: Sie sind eher langsam und damit in der benötigten Intensität schwer zu handhaben. Des Weiteren fällt der Wirkungsquerschnitt, also die Wahrscheinlichkeit für eine Interaktion der beiden beteiligten Partner, sehr stark mit der Energie ab. Es war bisher kaum möglich, geeignete Bedingungen für solche Reaktionen im Labor herzustellen. Dies sind die zwei Hauptgründe dafür, dass experimentelle Daten auf diesem Gebiet, insbesondere von schweren Kernen, sehr rar sind.“

„Für ein solches Experiment ist eine leistungsstarke Beschleunigeranlage wie die Kette aus Linearbeschleuniger UNILAC und Ringbeschleuniger SIS bei GSI nötig, um den schweren Reaktionspartner überhaupt als Teilchenstrahl zur Verfügung stellen zu können. Im Anschluss daran muss sich ein geeigneter Speicherring befinden, der den Strahl auf die Energien des Gamow-Fensters abbremst, dauerhaft speichert und zur Reaktion mit dem leichten Partner bringt“, sagt Professor Yuri Litvinov, der das maßgeblich beteiligte und von der Europäischen Union geförderte Forschungsprojekt ASTRUm bei GSI leitet. „Im Falle des durchgeführten Experiments konnte von uns gezeigt werden, dass der eigentlich für höhere Energien ausgelegte Speicherring ESR zu diesem Zweck nutzbar gemacht werden kann.“ Insbesondere ist ein sehr gutes Vakuum in der Anlage nötig. Bei den geringen Energien würden sich die Atomkerne sonst vermehrt Elektronen aus dem Restgas im Speicherring einfangen und gingen für das Experiment verloren.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gehen sogar noch einen Schritt weiter und machen sich diesen eigentlich unerwünschten Effekt gezielt zunutze. Auch im Target kommt es zu Wechselwirkungen der Xenon-Kerne mit Elektronen des Wasserstoff-Gases, die sich über die anschließende Abstrahlung von Röntgenlicht nachweisen lassen. Da dieser atomphysikalische Prozess sowohl sehr dominant als auch sehr gut verstanden ist, lässt sich hieraus ableiten, wie viele potentielle Xenon-Reaktionspartner für den Protoneneinfang zur Verfügung gestanden haben. Über ihre unterschiedliche, von der Masse abhängige Ablenkung im Magnetfeld des Speicherrings können die neu entstandenen Cäsium-Kerne nach dem Target von den übrig gebliebenen Xenon-Kernen getrennt und ebenfalls gemessen werden. Aus dem Verhältnis von potentiellen Reaktionspartnern und tatsächlichen Reaktionen lässt sich die Wahrscheinlichkeit für den Protoneneinfang bestimmen.

„Neben der Verbesserung der experimentellen Technik zum Erreichen von niedrigeren Energien des schweren Stoßpartners lieferte das Experiment wichtige Einschränkungen der bisher nur theoretisch vorhergesagten Reaktionsraten, die zur Modellierung der Elemententstehung genutzt werden“, sagt René Reifarth, Professor für Experimentelle Astrophysik an der Goethe-Universität Frankfurt und Sprecher des Experiments. „Das Experiment trägt entscheidend dazu bei, unser Verständnis der Nukleosynthese im Kosmos voranzubringen.“

Aufgrund des Erfolgs des Experiments sollen weitere Studien ähnlicher Reaktionen in den kommenden Experimentierzeiträumen am ESR durchgeführt werden. Um die Bedingungen in astrophysikalischen Szenarien noch besser nachzubilden, könnten sogar instabile Kerne produziert, anschließend über den GSI-Fragmentseparator aussortiert und in den Speicherring eingespeist werden. Ein weiterer Fortschritt in diesem Forschungsprogramm ist die bevorstehende Inbetriebnahme des dedizierten Niedrigenergie-Speicherrings CRYRING, der Teil der zukünftigen internationalen Beschleunigeranlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) sein wird, die gerade bei GSI gebaut wird. Er eignet sich besonders gut, um Ionenstrahlen bei niedrigen Energien zur Verfügung zu stellen.

Die Experimente fanden im Rahmen der Forschungskollaboration SPARC (Stored Particles Atomic Physics Research Collaboration) statt, die Teil des Forschungsprogramms von FAIR ist. Bei der Durchführung kamen durch die Verbundforschung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung geförderte Geräte zum Einsatz. (cp)

Weitere Informationen:

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Am ESR
Professor Yury Litvinov (l.) und Dr. Jan Glorius bei einer Arbeitsbesprechung am GSI-Speicherring ESR.
Foto: G. Otto, GSI