Messungen an Radionukliden für stellare Elemensynthese

Alle Elemente schwerer als Kohlenstoff in unserem Kosmos wurden durch Kernreaktionen in Sternen erzeugt. Die grundlegenden Mechanismen für ihre Produktion sind schon seit einigen Jahrzehnten verstanden, es gibt jedoch viele offene Fragen, besonders was die astrophysikalischen Szenarien der Elementsynthese angeht. Dies betrifft besonders die Rolle radioaktiver Nuklide. Im Zuge des Erwin-Schrödinger-Stipendiums an der Kernphysik Gruppe der Universität Edinburgh, einer international führende Gruppe im Bereich der nuklearen Astrophysik, will ich einigen Schlüsselproblemen der Elementsynthese auf den Grund gehen. Ich plane die Messung kritischer Kernreaktionen zur Destruktion des kosmischen Gamma-Emitters Aluminium-26 (26Al), welches in Supernova Explosionen produziert wird. 26Al wurde von Satelliten Missionen beobachtet und ist ein Beweis, dass Nukleosynthese laufend im Universum stattfindet. Ich plane die Untersuchung von neutroneninduzierten Reaktionen an 26Al an den Neutronenflugzeitanlagen n_TOF am CERN sowie bei GELINA am Institut für Referenzmaterialien und messungen in Belgien. Die emittierten geladenen Teilchen werden mit Silizium Strip Detektoren, die an der Universität Edinburgh entwickelt wurden, nachgewiesen. Die Universität Edinburgh ist für ihre weltweit führende Expertise für Silizium Detektoren renommiert. Die in diesen Experimenten gewonnene Erfahrung kann in der Rückkehrphase in Wien für die Untersuchung von anderen Reaktionen mit geladener Teilchenemission bei n_TOF verwendet werden. Der zweite Teil meines Projektes betrifft die Produktion der schweren Elemente. Experimenten zur Bestimmung von nuklearen Eigenschaften wie Halbwertszeiten, beta- verzögerter Neutronenemission und Massen von exotischen, radioaktiven Nukliden werden am Forschungszentrum RIKEN in Japan stattfinden. Diese Größen sind für den schnellen Neutroneneinfangprozess, der die schweren Elemente erzeugt, von Bedeutung. Die Messungen erfolgen unter Verwendung des Silizium Implantationsdetektors AIDA, dessen Konstruktion von der Universität Edinburgh geleitet wurde. AIDA wird in Zukunft mit dem beta- verzögerten Neutronendetektor BELEN kombiniert werden. Zusätzlich ist die Messung der Neutroneneinfangquerschnitte von Germanium-Isotopen bei n_TOF geplant. Diese Einfangquerschnitte sind für das Verständnis der Produktion der schwereren Elemente von Arsen bis Yttrium wichtig. Der letzte Teil des Forschungsvorhabens betrifft die Produktion protonenreicher Isotope durch Protonen- und Alpha-induzierte Reaktionen. Ich plane, an Messungen dieser Reaktionen mit Speicherringen mitzuwirken, ein neuartiger und innovativer Zugang, der viele Vorteile gegenüber traditionellen Methoden besitzt. Die Universität Edinburgh ist eines der führenden Mitglieder des TSR@ISOLDE Projektes, das die Installation des Test Storage Ringes am HIE- ISOLDE Setup am CERN plant und arbeitet an der Entwicklung von Detektoren, die in Speicherringen betrieben werden können.

Die Entstehung der chemischen Elemente in unserem Kosmos ist eine der wichtigsten offenen Fragen der modernen Physik. Alle Elemente, die schwerer als Kohlenstoff sind, werden durch Kernreaktionen im Inneren von Sternen erzeugt. Im Rahmen des Schrödinger-Stipendiums, das an der Universität Edinburgh, Großbritannien, durchgeführt wurde, wurde spezifischen ungelösten Problemen zur Entstehung der Elemente auf den Grund gegangen. Dazu wurden Kernreaktionen, wie sie in Sternen stattfinden im Labor vermessen, um Elementhäufigkeiten in unserem Universum, und die astrophysikalischen Umgebungen, in denen Elementsynthese stattfindet, erklären zu können. Das Stipendium befasste sich mit der Entstehung des Radioisotops Aluminium-26. Der Nachweis von Satelliten Missionen, dass Aluminium-26 in unserer Galaxis präsent ist, ist ein Beweis, dass Nukleosynthese ständig im Universum stattfindet. Die Destruktion von Aluminium-26 durch neutroneninduzierte Reaktionen in Supernova Explosionen, ist eine kritische unbekannte Größe, um die Häufigkeit von Aluminium-26 in unserer Galaxie zu verstehen. Neutroneninduzierter Reaktionen an Aluminium- 26 wurden am Institut für Referenzmaterialien und -messungen (IRMM) in Belgien gemessen. Zum Nachweis der Reaktion von Neutronen mit Aluminium-26 habe ich mit meinen Kollegen in Edinburgh ein Detektionssystem aus Silizium Strip Detektoren entwickelt. Die Ergebnisse dieser Messung werden dabei helfen, den Supernova Mechanismus in dem Aluminium-26 produziert wird, und die Aluminium-26 Häufigkeit und räumliche Verteilung in unserer Galaxis besser zu verstehen. Die astrophysikalischen Umgebungen, in denen die schweren Elemente entstehen (schwerer als Eisen), sind bis heute unbekannt. An der Neutronen Flugzeitanlage n_TOF am CERN wurden neutroneninduzierte Reaktionen an Germanium durchgeführt. Die Messung der Neutroneneinfangswahrscheinlichkeiten sind für das Verständnis der Produktion der schwereren Elemente von Germanium bis Yttrium wichtig, aber auch um die bisher unverstandenen Element-Häufigkeiten in sehr alten Sternen nachzuvollziehen. Der letzte Teil des Forschungsvorhabens betraf die Produktion protonenreicher Isotope durch Protonen- und Alpha-induzierte Reaktionen. Das Schrödinger-Stipendium ermöglichte mir, an innovativen Messungen von Kernreaktionen an Speicherringen mitzuwirken, eine neue Methode, die viele Vorteile gegenüber traditionellen Methoden besitzt. Erste Experimente fanden am experimentellen Speicherring ESR des GSI Labors (Gesellschaft für Schwerionenforschung) in Darmstadt statt. Zusammenfassend bot das Schrödinger Stipendium die einmalige Möglichkeit, an der international renommierten Universität Edinburgh mit weltweit führenden Kollegen Forschung zu betreiben und Experimente zu einigen der wichtigsten offenen Fragen der Elementsynthese in Sternen durchzuführen.