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News: Astrophysik im Beschleuniger

Viele der im Universum vorkommenden Atomkerne sind bei Sternexplosionen (Novae) enstanden. Um die Abfolge der Kernreaktionen, die bei diesen und anderen kosmischen Explosionen ablaufen, zu verstehen, benötigen Forscher Strahlen instabiler (radioaktiver) Elemente. Die sind jedoch in Teilchenbeschleunigern wesentlich schwieriger herzustellen als Strahlen stabiler Kerne. Die zweite Anlage auf der Welt, die in der Lage ist, mit hoher Zuverlässigkeit Strahlen radioaktiver Atomkerne zu erzeugen, liefert nun die ersten Daten über einen nuklearen Zustand, der von entscheidender Bedeutung ist, um die Prozesse in Sternexplosionen zu verstehen.
Nach vielen Jahren, in denen Physiker sich mit stabilen Atomkernen beschäftigt haben, steigt nun ihr Interesse an den instabilen. Aber einen hochqualitativen Strahl radioaktiver Elemente zu erzeugen, die normalerweise innerhalb von Sekunden zerfallen, ist äußerst knifflig. Bislang haben Forscher diese durch Kernreaktionen im Target eines "stabilen" Strahls hergestellt. Nun arbeiten einige Labors an einer zweiten Stufe der Beschleunigung der dabei entstehenden radioaktiven Produkte. Eine erste Anlage dafür würde kürzlich in Belgien gebaut. In den Vereinigten Staaten hat die Hollifeld Radioactive Ion Beams Facility (HRIBF) am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee ihren Betrieb aufgenommen, um Forschungen auf einer Vielzahl von Gebieten zu ermöglichen. Das reicht von astrophysikalischen Fragestellungen, über Kernphysik und Materialwissenschaften bis hin zu medizinischen Anwendungen radioaktiver Isotope.

Die ersten veröffentlichten Daten der Oak Ridge-Anlage (Physical Review Letters, 9. Juli 1999, Abstract) betreffen das Schicksal des instabilen Fluor 17- Kerns. Nach den theoretischen Modellen für Novae, ist die Umwandlung von Fluor 17 in Neon 18 ein entscheidender Schritt in denjenigen Kernreaktionen, die auf der Erde beobachtete werden können – etwa anhand des ausgesandten Röntgenspektrums. Bei der alleinigen Verwendung von Strahlen stabiler Kerne haben die Wissenschaftler jedoch keine Möglichkeit, einen Blick auf die Anfangszustände von Neon 18 zu werfen. Dies bedeutet eine große Unsicherheit für die physikalischen Modelle. Der an den Forschungen beteiligte Daniel Badayan betont: "Nach diesen Zuständen wurde seit über zehn Jahren Ausschau gehalten, aber sie wurden nie eindeutig nachgewiesen."

Das HRIBF-Team benötigte zwei Jahr, um einen guten Fluor 17-Strahl zu erzeugen. Dieser Kern besitzt eine Halbwertszeit von 64 Sekunden, so daß das erste Problem darin bestand, die hoch reaktionsfreudigen und instabilen F17-Atome vom ersten Target zum zweiten Beschleuniger zu bringen. Im ersten Beschleuniger wurden zunächst ein faseriges Hafniumdioxid-Target mit Deuteronen beschossen. Der Aufbau erlaubte es den dabei enstehenden Aluminiumfluorid-Molekülen, in die nächste Stufe zu diffundieren, wo die F17-Kerne herausgezogen und weiter beschleunigt wurden. Der radioaktive Strahl bombardierte ein Polypropylen-Target, wo die F17-Kerne kurzzeitig Protonen einfangen, um den kurzlebigen Neon18-Zustand zu bilden. Durch die Messung von Energie und Lebenszeit des Neon 18-Zustandes sind die Physiker nun in der Lage, genaue Berechnungen der entsprechenden Produktionsraten in Novae vorzunehmen – ein Parameter, dessen Schätzungen um bis zu einem Faktor hundert voneinander abwichen.

Viele Wissenschaftler sind von der Wichtigkeit der neuen Ergebnisse überzeugt. So auch John D'Auria von der Simon Fraser University in Burnaby, Canada, der drauf hinweist, daß zwar unbeschleunigte Strahlen radioaktiver Kerne seit vielen Jahren verwendet werden – die vielen neuen Anlagen, die bereits gebaut oder noch diskutiert werden, den Anbruch einer neuen Ära der Kernphysik bedeuten: "Das ganze Gebiet ist wiederbelebt worden."

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