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Exotische Atomkerne erforschen

BMBF fördert Verbundforschungsprojekte am CERN / Jenaer Physiker untersuchen die theoretischen Grundlagen
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11.10.2018
Prof. Dr. Stephan Fritzsche und sein Team wollen die theoretischen Entwicklungen und Berechnungen liefern, die unmittelbar der Vorbereitung und Analyse der Laser-spektroskopischen Experimente dienen.
Foto: Jürgen Scheere/FSU Prof. Dr. Stephan Fritzsche und sein Team wollen die theoretischen Entwicklungen und Berechnungen liefern, die unmittelbar der Vorbereitung und Analyse der Laser-spektroskopischen Experimente dienen.
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Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt mit über 2,4 Millionen Euro sechs deutsche Universitäten bei ihren kernphysikalischen Untersuchungen an der Forschungsanlage ISOLDE des Europäischen Kernforschungszentrums CERN in Genf. Dort werden exotische Atomkerne erzeugt und zu verschiedenen Experimenten geleitet. Das BMBF stellt die Mittel im Rahmen der Verbundforschungsförderung für drei Jahre bereit. Gefördert werden Arbeitsgruppen der Universitäten in Greifswald, Jena, Köln und Mainz sowie der Technischen Universitäten Darmstadt und München.


Hochempfindliche Detektoren entwickeln

Forschungsgegenstand sind exotische, kurzlebige Atomkerne. Selbst mit modernsten Methoden gelingt ihre Herstellung am CERN oft nur mit sehr geringen Teilchenzahlen. Daher müssen hochempfindliche Detektoren entwickelt werden, um die kurzlebigen Atomkerne nicht nur nachzuweisen, sondern auch ihre Eigenschaften - zum Beispiel Größe, Masse und Anregungsspektrum - mit hoher Genauigkeit zu vermessen. Dabei werden zum einen atomphysikalische Methoden wie Laserspektroskopie und Massenspektrometrie bei niedrigen Teilchenenergien zur Anwendung kommen. Darüber hinaus werden neue Akzente im Bereich der hochaufgelösten Kernspektroskopie nach Kernstößen und -zerfällen gesetzt werden, nachdem ISOLDE vor kurzem zur sogenannten HIE-ISOLDE erweitert wurde, mit höheren (H) Intensitäten (I) sowie bei höheren Energien (E) der Teilchenstrahlen, die den Forschungsgruppen damit zur Verfügung gestellt werden können. Diese Erweiterungen wurden nicht zuletzt durch die erfolgreichen Messungen mit dem "MINIBALL"-Detektor angestoßen, an dem deutsche Gruppen wesentlich beteiligt sind. Ziel ist ein umfassendes Verständnis der Kernstrukturen und der sie erzeugenden Kräfte.

Beim Forschungsvorhaben an der Friedrich-Schiller-Universität Jena werden insbesondere präzise theoretische Vorhersagen zur Isotopieverschiebung verschiedener offenschaliger Atome und Ionen durchgeführt. Diese theoretischen Grundlagen werden für die Planung und Auswertung der Laser-spektroskopischen Untersuchungen an ISOLDE sowie der super-schweren Elemente Nobelium und Lawrencium benötigt. Erst präzise (elektronische) Strukturrechnungen zu den Isotopieparametern erlauben es in vielen Fällen, die Kerneigenschaften aus den experimentell gemessenen (Isotopie-)Verschiebungen der Übergangsfrequenzen zuverlässig zu extrahieren. "Die Isotopieparameter, die die elektronische Antwort auf die unterschiedlichen Massen und Ladungsverteilungen der Isotope beschreiben, hängen oftmals empfindlich von relativistischen Beiträgen und der Korrelation der Elektronen ab und können daher nur mit korrelierten Vielteilchenmethoden angemessen beschrieben werden", erläutert der Jenaer Projektleiter Prof. Dr. Stephan Fritzsche. "Die in unserem Vorhaben geplanten theoretischen Entwicklungen und Berechnungen dienen unmittelbar der Vorbereitung und Analyse der Laser-spektroskopischen Experimente in den Arbeitsgruppen in Darmstadt, Heidelberg und Mainz", ergänzt der theoretische Physiker, der an der Friedrich-Schiller-Universität und am Helmholtz-Institut Jena tätig ist.


Neue Erkenntnisse über kernphysikalische Vorgänge in Sternen erwartet

Von den Experimenten erhoffen sich die Forschenden neue Erkenntnisse, zum Beispiel über die kernphysikalischen Vorgänge in Sternen. Dort spielen gerade die Kerne eine entscheidende Rolle, die zwar schon innerhalb von Sekundenbruchteilen nach ihrer Erzeugung wieder zerfallen, aber trotzdem mit Präzisionsmethoden bei ISOLDE studiert werden können. Insbesondere sind diese Erkenntnisse wesentlich für das Verständnis der Prozesse bei besonders schweren Sternen, das heißt, unter im Vergleich zu unserer Sonne extremen Bedingungen. Während direkt nach dem Urknall nur die leichtesten chemischen Elemente wie Wasserstoff und Helium entstanden, wurden und werden dort praktisch alle anderen Elemente produziert, aus denen unsere Umwelt und auch wir Menschen selbst bestehen. Erst kürzlich gelang es, kollidierende Neutronensterne als Ort dieser Elementsynthese zu identifizieren. Dazu wurden astronomische Beobachtungen, unter anderem von Gravitationswellen, mit Modellrechnungen basierend auf kernphysikalischen Erkenntnissen verglichen, wie sie auch an ISOLDE gewonnen werden.

Über die kern- und astrophysikalische Grundlagenforschung hinaus werden die von ISOLDE zur Verfügung gestellten radioaktiven Kerne und die dort entwickelten experimentellen Methoden auch bei der Untersuchung von Festkörpern sowie medizinischen Fragestellungen genutzt.

Kontakt (an der FSU):
Prof. Dr. Stephan Fritzsche
Theoretisch-Physikalisches Institut der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Helmholtz-Institut Jena
Fröbelstieg 3, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947606
E-Mail:

 

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