GSI/FAIR-Forschung: Innovative Methode eröffnet neue Wege zur Untersuchung radioaktiver Moleküle
15.09.2026 |
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der University of Edinburgh hat gemeinsam mit Forschenden von GSI/FAIR, der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) und weiteren Partnerinstitutionen einen neuen experimentellen Zugang zu kurzlebigen radioaktiven Molekülen entwickelt. Die Arbeiten schaffen die Grundlage für eine neue Generation von Präzisionsexperimenten, mit denen sich grundlegende Fragen der Physik untersuchen lassen – von der Suche nach Physik jenseits des Standardmodells, in dem die wesentlichen Erkenntnisse der Teilchenphysik nach heutigem Stand zusammengefasst sind, bis hin zur Chemie radioaktiver Elemente. Realisiert wurden sie im Rahmen der Super-FRS Experiment Collaboration (SEC), die ein Teil der NUSTAR-Säule am derzeit bei GSI entstehenden FAIR-Beschleunigerzentrum ist. Nun wurden die Ergebnisse im Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht.
Im Mittelpunkt der Studie steht eine neu entwickelte experimentelle Methode, mit der sich radioaktive Molekül-Ionen innerhalb weniger Millisekunden erzeugen und mit hoher Präzision analysieren lassen. Die Forschenden konnten unter anderem die Molekül-Ionen Radiumfluorid (RaF⁺), Poloniumfluorid (PoF⁺) und Bleifluorid (PbF⁺) herstellen und deren Bildung charakterisieren.
Alle Elemente schwerer als Bismuth besitzen ausschließlich radioaktive Isotope und stehen nur in kleinsten Mengen zur Verfügung. Bislang stützte sich ihre Untersuchung fast ausschließlich auf die Produktion in großen Beschleunigerzentren oder Forschungsreaktoren. Die jetzt entwickelte Methode kombiniert das Auffangen (Gewinnung) von Zerfallsprodukten aus radioaktiven Quellen in einer hochreinen Gaszelle mit schnellen Ion-Molekül-Reaktionen in der Ionenfalle und hochauflösender Flugzeit-Massenspektrometrie. Dadurch lassen sich selbst Isotope mit Halbwertszeiten von nur wenigen hundert Millisekunden untersuchen. Perspektivisch eröffnet dies die Möglichkeit, radioaktive Moleküle künftig auch an Universitäten und anderen Forschungseinrichtungen systematisch zu erforschen und damit Experimente an großen Beschleunigeranlagen zu ergänzen.
Die Experimente wurden am FRS Ion Catcher von GSI durchgeführt. Die jetzt vorgestellte Arbeit zeigt beispielhaft, wie die enge Zusammenarbeit von Universitäten und Großforschungseinrichtungen neue Forschungsfelder erschließen kann und wie die Spitzentechnologien bei GSI/FAIR als Wegbereiter für dezentrale Forschung an Universitäten ohne eigene Beschleuniger vorn Ort dienen könnten.
An der University of Edinburgh beschäftigt sich das RAFICI-Projekt (Radium Fluoride Ion Catcher Instrument) mit dem Aufbau einer kompakten, kosteneffizienten und für Universitätslabore geeigneten Umsetzung des Konzeptes. Dr. Moritz Pascal Reiter, Reader an der University of Edinburgh, erläutert: „Radioaktive Moleküle bieten ein enormes Potenzial für Grundlagenphysik, aber auch für wegweisende Anwendungen wie die zielgerichtete Krebstherapie. Bislang war ihre Erforschung jedoch zwingend an Beschleunigerzentren gebunden. Wir haben das RAFICI-Projekt ins Leben gerufen mit dem Ziel, radioaktive Moleküle direkt auf den Labortisch zu bringen. Die hochentwickelte Technologie am FRS Ion Catcher war der entscheidende Schlüssel, um diesen dezentralen Ansatz erfolgreich zu demonstrieren.“ In den Experimenten bei GSI konnten die Forschenden zeigen, dass sie selbst extrem kurzlebige radioaktive Molekül-Ionen mittels radioaktiver Quelle formen können. „Das eröffnet einen völlig neuen Weg, der Laboren weltweit einen direkten und unkomplizierten Zugang ermöglicht“, betont Dr. Reiter.
Die jetzt veröffentlichte Arbeit ist zugleich der Auftakt eines langfristigen Forschungsprogramms. In den kommenden Jahren sind weitere Experimente sowohl mit radioaktiven Ionenstrahlen an GSI und der zukünftigen FAIR-Anlage als auch strahlunabhängige Experimente mit der neuen Methode geplant, bei denen radioaktive Moleküle direkt für chemische und physikalische Untersuchungen genutzt werden. Dr. Timo Dickel, Leiter der Gruppe Thermalisierte Exotische Kerne bei GSI/FAIR, betont: „Am FRS Ion Catcher bauen wir langfristig ein vielfältiges Offline-Programm auf, das unter anderem die Untersuchung radioaktiver Moleküle unabhängig vom Beschleunigerbetrieb ermöglicht“. Ziel ist es, systematische Untersuchungen radioaktiver Moleküle zu etablieren und damit neue Möglichkeiten für Präzisionsexperimente, die Suche nach neuer Physik sowie Anwendungen in der Radiochemie und Nuklearmedizin zu schaffen. (BP)
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Wissenschaftliche Veröffentlichung im Fachmagazin Nature Communications
