Drei Funde auf einmal: Forscher lernen, wie Gold & Co. entstehen

Ein Forschungsteam der University of Tennessee hat wichtige Details darüber herausgefunden, wie schwere Elemente wie Gold im Universum entstehen. Diese sind auf extreme Bedingungen angewiesen und bilden sich auch nicht auf direktem Weg.

Experiment am CERN

In einer Forschungsarbeit berichten die Physiker gleich über drei bedeutende Entdeckungen, die zentrale Prozesse beim Zerfall instabiler Atomkerne besser verständlich machen. Die Ergebnisse könnten helfen, astrophysikalische Modelle zu verbessern, mit denen Wissenschaftler Sternexplosionen oder Sternkollisionen und die dabei entstehende Materie beschreiben.

Schwere Elemente wie Gold oder Platin entstehen unter extremen kosmischen Bedingungen, etwa wenn Sterne kollabieren, explodieren oder miteinander verschmelzen. In solchen Ereignissen läuft der sogenannte schnelle Neutroneneinfangprozess ab, kurz r-Prozess. Dabei nimmt ein Atomkern in kurzer Zeit viele Neutronen auf und wird dadurch immer schwerer und instabiler. Schließlich zerfällt er in stabilere Formen.


Auf diesem Weg kommt es häufig zu einer speziellen Reaktionsfolge: Nach einem Beta-Zerfall des ursprünglichen Atomkerns werden ein oder sogar zwei Neutronen freigesetzt. Die beteiligten Kerne sind jedoch äußerst kurzlebig und selten, weshalb sie sich nur schwer experimentell untersuchen lassen. Forschende sind daher stark auf theoretische Modelle angewiesen, die durch Laborergebnisse überprüft werden müssen.

Um diese Prozesse genauer zu erforschen, arbeiteten die Wissenschaftler mit internationalen Partnern zusammen und führten Experimente an der ISOLDE-Anlage am CERN durch. Ausgangspunkt war das seltene Isotop Indium-134. Mit Hilfe spezieller Lasertechniken konnten relativ große Mengen dieses Isotops erzeugt und besonders rein isoliert werden. Beim Zerfall entstehen angeregte Zustände verschiedener Zinn-Isotope.

Am Beispiel von Zinn

Mit einem speziell entwickelten Neutronendetektor gelang dem Team eine Premiere: Erstmals konnten die Energien von Neutronen gemessen werden, die bei einer sogenannten beta-verzögerten Zwei-Neutronen-Emission freigesetzt werden. Dieses Phänomen tritt nur bei extrem instabilen Atomkernen auf und galt bisher als kaum messbar.

Darüber hinaus gelang der erste experimentelle Nachweis eines lange vorhergesagten Neutronenzustands im Kern von Zinn-133. Dieser Zustand entsteht während des Zerfallsprozesses und liefert Hinweise darauf, dass der Kern gewissermaßen "Erinnerungen" an seine Entstehung bewahrt, entgegen der bisherigen Annahme, er verliere diese Informationen vollständig.

Als dritte Überraschung stellten die Forscher fest, dass die Entstehung dieses Zustands nicht den statistischen Mustern folgt, die in bisherigen Modellen erwartet werden. Das deutet darauf hin, dass die derzeitigen theoretischen Beschreibungen exotischer Atomkerne möglicherweise unvollständig sind. Die neuen Ergebnisse liefern somit wichtige Daten für die Kernphysik und könnten langfristig helfen genau zu erklären, wie kosmische Ereignisse die schwersten Elemente des Universums hervorbringen.


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