ANSWERS: Ein neuer Ansatz zur Erforschung der superschweren Kerne
01.10.2026 |
Ein Forschungsteam von GSI/FAIR in Darmstadt, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und des Helmholtz-Instituts Mainz hat mit einer neu entwickelten experimentellen Technik vier superschwere Kerne untersucht. ANSWERS misst bisher unzugängliche Eigenschaften, die für das Verständnis der Elementsynthese im Universum bedeutsam sind. Die Ergebnisse sind in „Physics Letters B“ veröffentlicht.
ANSWERS (Adsorption-based Nuclear Spectroscopy Without Evaporation Residue Signal) überträgt Experimentiertechniken von GSI/FAIR, die für die chemische Untersuchung der superschweren Elemente entwickelt wurden, auf physikalische Fragestellungen: Superschwere Kerne spalten aufgrund der abstoßenden Kraft zwischen positiv geladenen Protonen häufig in zwei leichtere Fragmente. Die Messung der Massenverteilung der Spaltfragmente (Fission Fragment Mass Distribution, FFMD) und der Summe der kinetischen Energien der beiden Fragmente stellt jedoch eine experimentelle Herausforderung dar.
Die FFMD spielt eine wesentliche Rolle bei der theoretischen Beschreibung des Spaltprozesses und in Konsequenz für die Modellierung des schnellen Neutroneneinfangprozesses, der die astrophysikalische Synthese aller Atomkerne jenseits der schwersten stabilen Elemente Blei und Bismut bestimmt. Die Aufklärung dieses Spaltprozesses ist eine der zentralen Aufgaben, um den aktuellen Endpunkt des Periodensystems der Elemente zu untersuchen, es weiter auszubauen und unser Verständnis darüber zu vertiefen, wie die schwersten Elemente im Universum entstehen.
Bislang stand keine experimentelle Technik zur direkten Messung der Spalteigenschaften von superschweren Kernen, die nur mit Produktionsraten von Einzelatomen erzeugt werden können, zur Verfügung. „Während der Inbetriebnahme unseres neuen Chemie-Detektors wurde mir klar, dass sich der Ansatz der Gasphasenchemie anpassen lässt, um einen neuen Versuchsaufbau für die Kernphysik zu schaffen und dieses Problem zu lösen. Damit war das neue ANSWERS-Konzept geboren“, erinnert sich der Erstautor, Dr. Jadambaa Khuyagbaatar, Leiter des entsprechenden Experimentierprogramms bei GSI/FAIR.
Obwohl superschwere Kerne mit Ordnungszahlen bis zu Z = 118 (Og, Oganesson) entdeckt und untersucht wurden, lagen bislang nur bis Z = 104 (Rf, Rutherfordium) experimentelle Informationen zu ihrer FFMD vor. In Messungen mit ANSWERS wurden nun erstmals die Spalteigenschaften von Californium-242, Nobelium-252, Lawrencium-264 und Dubnium-268 nachgewiesen. Während die ersten beiden Kerne asymmetrische Massenverteilungen der Spaltfragmente aufwiesen, zeigten die schwereren Kerne nahezu symmetrische Massenverteilungen, verbunden mit großen kinetischen Gesamtenergien der beiden Fragmente.
Das Grundprinzip von ANSWERS besteht darin, nichtflüchtige superschwere Atome in einem Gas bei Atmosphärendruck abzufangen und sie direkt in einen schmalen Kanal zu leiten, der durch Anordnungen von Siliziumdetektoren gebildet wird, deren aktive Seiten einander zugewandt sind. Sobald ein Atom an den Detektoroberflächen adsorbiert, werden seine nachfolgenden radioaktiven Zerfälle unter untergrundarmen Bedingungen und mit hoher geometrischer Effizienz gemessen, was zu hocheffizienten Multi-Koinzidenz-Messungen führt. Konkret senden spaltende Kerne ihre beiden Fragmente in separate Detektoren aus, wodurch es möglich ist, beide Fragmente einzeln zu erfassen und ihre Massen anhand der gemessenen kinetischen Energien zu rekonstruieren.
„ANSWERS ist ein Paradebeispiel für fruchtbare interdisziplinäre Arbeit, bei der das gebündelte Fachwissen benachbarter wissenschaftlicher Bereiche den Vorstoß in neue Regionen ermöglicht. So können grundlegende Fragen beantwortet werden, die über eine einzelne Disziplin hinausgehen“, sagt Professor Christoph E. Düllmann, Leiter der Abteilungen für Chemie superschwerer Elemente bei GSI/FAIR und am Helmholtz-Institut Mainz sowie Professor an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz.
Wie sich die FFMD in Richtung Oganesson weiterentwickelt, ist ein Hauptthema theoretischer Debatten. Bei der Spaltung könnte die bekannte asymmetrische Massenverteilung beibehalten werden, die bei Aktiniden beobachtet wird, einschließlich der bekannten spaltbaren Uran- und Plutoniumkerne, wobei ein Fragment eine Massenzahl um 140 aufweist; andere Szenarien legen nahe, dass sich die FFMD in Richtung einer Spaltung in zwei Fragmente von etwa gleicher Masse entwickelt (symmetrische Spaltung).
Weitere faszinierenden Szenarien harren einer experimentellen Überprüfung, beispielsweise die mögliche Bildung eines doppelt magischen Fragments, entweder Zinn-132 oder Blei-208; beide weisen gefüllte Protonen- und Neutronenschalen auf. Insbesondere wurde eine Spaltung, die zu einem Blei-208-Fragment führt, bisher theoretisch vorhergesagt, aber noch nie experimentell nachgewiesen; es ist jedoch zu erwarten, dass sie in den schwersten Kernen auftritt (z. B. in Oganesson-294, dem schwersten bekannten Kern). „Zukünftig kann ANSWERS zur Klärung dieser Fragen wichtige Beiträge leisten und uns helfen, die Elementsynthese im Universum zu entschlüsseln“, so Khuyagbaatar. (CP)
