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Hier werden die Gammastrahlen vom Zinn-100-Zerfall gemessen: Blick auf das Experiment am GSI. Im Zentrum des 'Igels' aus 105 mit flüssigem Stickstoff gekühlten Gamma-Detektoren werden die Fragmente gestoppt und mit 25 großen Teilchendetektoren wird der Zeitpunkt und die frei werdende Energie beim Beta-Zerfall vermessen.
[Bild: Thomas Faestermann / TUM] |
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Der 75 Meter lange Fragmentseparator, der die Zinn-100-Isotope aus einem Gemisch vieler Teilchen herausfiltert.
[Bildquelle: G. Otto, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung] |
Die Wissenschaftler haben beim Zerfall des Zinn-100-Kerns die frei werdende Energie gemessen, die stufenweise über Kaskaden abgegeben wird. Herauszufinden wie diese Kaskaden verlaufen, ist wie eine Knobelaufgabe. „Bei einem Zerfallsschema gibt es genauso viele Möglichkeiten wie bei einem schwierigen Sudoku-Rätsel“, sagt Jürgen Gerl, Leiter der Forschungsabteilung für Gamma-Spektroskopie bei GSI. „Wir haben einige Kästchen vorgegeben, aber den Rest müssen wir richtig kombinieren. Und ist eine Zahl falsch, stimmt das gesamte Ergebnis nicht.“
Nach intensiver Datenauswertung blieb nur eine Möglichkeit übrig: Anstatt wie ursprünglich vermutet in einer Zerfallskaskade, zerfällt Zinn-100 in zwei parallelen Kaskaden. Dabei findet ein sogenannter „superallowed Gamow-Teller-Übergang“ statt, ein energetisch besonders günstiger Übergang. „Gamow-Teller-Übergänge spielen eine wesentliche Rolle in Kernreaktionen, die in Sternexplosionen, so genannten Supernovae, ablaufen. In Supernovae entstehen die schweren Elemente jenseits des Eisens“, sagt Magdalena Górska, Wissenschaftlerin bei GSI und stellvertretende Sprecherin des Experiments.
Der Zinn-100-Kern ist bei Physikern für die Erforschung der Kernstruktur besonders begehrt. Er besteht aus 50 Protonen und 50 Neutronen, die jeweils abgeschlossene Schalen bilden und somit für eine besondere Stabilität sorgen. Ähnlich wie Elektronen in der Atomhülle von Edelgasen. Zinn-100 ist der schwerste Atomkern mit zwei abgeschlossenen Schalen, der dabei ebenso viele Protonen wie Neutronen besitzt. Seine innere Struktur ist im Vergleich zu anderen Atomkernen relativ einfach. Deshalb ist er besonders geeignet, um bestehende Modelle zu überprüfen und zu verbessern.
Die Herstellung des für die Wissenschaftler so begehrten Forschungsobjekts ist nur mit großem technischem Aufwand möglich. In der mehreren hundert Meter langen Beschleunigeranlage bei GSI werden Ionen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und auf Materie geschossen. Dabei entsteht in sehr seltenen Fällen ein Zinn-100 Kern. Der erste Zinn-100-Kern überhaupt wurde an der GSI-Beschleunigeranlage im Jahr 1994 hergestellt und nachgewiesen. Da der Teilchenbeschleuniger bei GSI mittlerweile jedoch höhere Intensitäten hat, können mehr Zinn-100-Kerne hergestellt werden. Für das Experiment standen somit mehr als 200 Zinn-100-Kerne zur Verfügung – genug, um verlässliche Ergebnisse zu bekommen.
Mit der Beschleunigeranlage FAIR, die gerade bei GSI gebaut wird, soll bis 2018 die Produktionsrate für Zinn-100 und viele andere seltene Isotope um bis zu 10.000fach erhöht werden. Damit erhoffen sich die Wissenschaftler eine so große Präzision der Messergebnisse, dass die Modelle zur Beschreibung der Struktur der Atomkerne wesentlich verbessert werden und damit das Verständnis über die Entstehung der Elemente im Universum.
Autoren des Artikels sind 62 Wissenschaftler aus 14 Ländern von 21 Instituten. Die Leitung lag bei der TU München.
Pressemitteilung der TU München
Zinn-100, ein doppelt magischer Kern - Schlüsselexperiment der Kernphysik
Wenige Minuten nach dem Urknall gab es im Universum nur die Elemente Wasserstoff und Helium. Alle anderen chemischen Elemente entstanden erst sehr viel später. Physikern der Technischen Universität München (TUM), des Exzellenzclusters Universe und des Helmholtz-Instituts für Schwerionenforschung (GSI) ist es nun gelungen, Zinn-100 herzustellen, ein zwar sehr instabiles, aber für das Verständnis der Bildung schwererer Elemente sehr wichtiges Element.
Stabiles Zinn, so wie wir es kennen, besitzt 112 Kernteilchen, 50 Protonen und 62 Neutronen. Die Neutronen wirken dabei gewissermaßen wie ein Puffer zwischen den sich elektrisch abstoßenden Protonen und verhindern, dass normales Zinn zerfällt. Nach dem Schalenmodell der Kernphysik ist die 50 eine „magische Zahl“, bei der besondere Eigenschaften auftreten. Zinn-100 ist mit 50 Protonen und 50 Neutronen „doppelt magisch“ und daher für die Kernphysik besonders interessant.
Indem sie Xenon-124 Ionen mit beinahe Lichtgeschwindigkeit auf ein Beryllium-Blech schossen, gelang es einem Physikerteam der TU München, des Exzellenzclusters Universe und der GSI in Darmstadt, Sn-100 herzustellen und ihren Zerfall zu analysieren. Mit den eigens entwickelten Teilchendetektoren konnten sie, Halbwertszeit und Zerfallsenergie des Zinn-100 und seiner Folgeprodukte vermessen und unter anderem eine Voraussage theoretischer Physiker bestätigen, dass Zinn-100 von allen Atomkernen den „schnellsten“ Beta-Zerfall hat. Dabei spaltet der Kern ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino ab und wird zu einem Isotop des Elements Indium.
Demnächst soll das Experiment am Forschungszentrum RIKEN in Japan wiederholt werden. Dort gibt es inzwischen eine höhere Strahlintensität, die noch präzisere Messungen ermöglicht. Ziel der Forschungsarbeiten ist ein besseres Verständnis der Vorgänge bei der Entstehung der schweren Elemente in Explosionen an der Oberfläche kompakter Sterne. Außerdem hofft man, aus den Messungen Rückschlüsse auf die Neutrinomasse ableiten zu können.
Die Arbeit wurde unterstützt mit Mitteln des BMBF, der GSI, des DFG-Exzellenzclusters Origin and Structure of the Universe, der EU (I3-EURONS) und des Swedish Research Council.
Pressemitteilung der Univerität Köln
Schwerstes symmetrisches doppeltmagisches Isotop untersucht
Einer Gruppe internationaler Kernphysiker ist es
gelungen, das Isotop Zinn-100, einen sehr
exotischen instabilen Atomkern, in genügender
Menge zu erzeugen und seinen Zerfall zu messen.
Das Isotop mit dem wissenschaftlichen Namen
100Sn hat den schwerstmöglichen
„doppelt-magischen“ Kern mit gleicher Zahl von
Protonen und Neutronen. Wie die Wissenschaftler
in „Nature“ berichten, wurde die Stärke dieses
Zerfalls zum ersten Mal experimentell bestimmt.
Die Ergebnisse zeigen, dass von allen bisher
untersuchten Atomkernen beim Isotop 100Sn der
Beta-Zerfall am stärksten ist. Die Messungen
wurden in Rahmen des RISING Projekts an GSI
Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
in Darmstadt durchgeführt. Kernstück dieses
Experimentieraufbaus sind die EUROBALL Cluster
Detektoren für hochauflösende Spektroskopie von
Gamma-Strahlung, die am Institut für Kernphysik
der Universität zu Köln entwickelt worden sind.
Beteiligt an dem Experiment waren die Kölner
Kernphysiker Dr. Andrey Blazhev und Dipl. Phys.
Norbert Braun vom Institut für Kernphysik.
Geleitet wurde das Experiment vom Lehrstuhl E12
für Experimentalphysik der Technischen
Universität München.
Das
Zinn-100-Isotop liegt durch seine
„doppeltmagische“ Struktur und der gleichen
Anzahl Protonen wie Neutronen in einem Extrem
der physikalischen Möglichkeiten und ist
deswegen von großem Interesse für die
Wissenschaftler. Analog zu Atomelektronschalen
gibt es eine Schalenstruktur der Atomkerne.
Diese Schalenstruktur der Atomkerne zeigt sich
durch die sogenannten „magischen Zahlen“, d.h.
eine bestimmte Anzahl von Protonen oder
Neutronen im Kern: 2, 8, 20, 28, 50, 82 und 126.
Doppeltmagisch sind Kerne bei denen beide
Kernteilchenarten jeweils eine magische Zahl
haben. Die Forscher untersuchten in der
vorliegenden Arbeit eine Form des radioaktiven
Zerfalls, den sogenannten Beta+ -Zerfall. In
einem Beta+ -Zerfall wird in einem Kern, ein
Proton in ein Neutron umgewandelt. Dabei wird
ein Positron-Neutrino Paar aus dem Kern
emittiert. Wenn die Spins von Positron und
Neutrino parallel sind, nennt man dies einen
Gamow-Teller Zerfall.
Die Stärke
des Gamow-Teller Zerfalls hängt von der
Kernstruktur der Isotope ab. In der vorliegenden
Arbeit wurde der Gamow-Teller Zerfall des
instabilen Zinn-Isotops 100Sn untersucht.
„Dieser Gamow-Teller Zerfall hat die größte
Stärke von allen bisher untersuchten Kernen“,
erklärt Dr. Andrey Blazhev vom IKP. „Das wurde
auch theoretisch vorhergesagt, konnte aber erst
jetzt experimentell nachgewiesen werden.“ Analog
zu den superallowed (supererlaubten)-Fermi
Zerfällen, wird jetzt zum ersten Mal auch der
Begriff superallowed Gamow-Teller Zerfall für
diesen Fall benutzt. Die große Zerfallsstärke
wird sehr gut durch die im Artikel
mitveröffentlichten modernen theoretischen
Kern-Schalen-Model Rechnungen wiedergegeben.
Die Kölner Beteiligung am Experiment entspringt
einer langen Zusammenarbeit der beteiligten
Wissenschaftler. Im Rahmen der RISING
(2003-2009) und PreSPEC (2010-) Kollaborationen
für Experimente an der GSI, Darmstadt, hat das
IKP, Universität zu Köln, seit 2003 bis heute
auch an vielen anderen interessanten und
erfolgreichen Experimenten teilgenommen und
solche auch selber geleitet.
