Erstmalige Messung des Atomkerns Sauerstoff-28

Erfolgreiches Experiment mit FAIR-Detektor in Japan.

Wissenschaftler*innen des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung und der Technischen Universität Darmstadt ist es gemeinsam mit einem internationalen Team gelungen, zum ersten Mal den lange gesuchten Sauerstoff-Atomkern ²⁸O zu erzeugen und nachzuweisen. Durchgeführt wurde das Experiment am japanischen Forschungszentrum RIKEN. Entscheidend war dabei der erstmalige Einsatz des meterhohen und tonnenschweren Neutronendetektors NeuLAND, der für das zukünftige Beschleunigerzentrum FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) in Darmstadt entwickelt wurde. An FAIR wird er wichtiger Bestandteil eines der ersten Experimente sein, die ab 2028 in Betrieb gehen sollen.

Die aktuellen Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Das Experiment wurde an der Radioactive Ion Beam Factory (RIBF) am Forschungszentrum RIKEN in Japan durchgeführt. Dabei wurden die ²⁸O-Kerne in Kollisionen von beschleunigten Ionen des radioaktiven Fluor-Isotops ²⁹F mit einem Wasserstoff-Target erzeugt, bei denen ein Proton aus dem Fluor herausgeschossen wurde. Im Anschluss musste nun der Zerfall des ²⁸O in ²⁴O und vier Neutronen nachgewiesen werden. Dank des Einsatzes des NeuLAND-Neutronendetektors konnten in dem Experiment erstmalig vier Neutronen in Koinzidenz mit dem geladenen Restkern vermessen werden.

„NeuLAND wird bei GSI/FAIR entwickelt und unter Beteiligung deutscher Universitätsgruppen für das R3B-Experiment an der FAIR-Anlage gebaut. Für die aktuelle Messung haben wir den Detektor nach Japan zum RIKEN geflogen und vor Ort wieder in Betrieb genommen“, erläutert Professor Thomas Aumann, der bei GSI/FAIR die Forschungsabteilung Kernreaktionen leitet und an der TU Darmstadt eine Professur für die experimentelle Kernphysik mit exotischen Ionenstrahlen innehat. „Für die Durchführung war ein außerordentlicher Aufwand notwendig, bei dem die Darmstädter Gruppen bei GSI/FAIR und an der TU Darmstadt einen zentralen Beitrag geleistet haben.“

Das stabilste Sauerstoff-Isotop ist aus acht Protonen und acht Neutronen aufgebaut, während ²⁸O aus acht Protonen und 20 Neutronen besteht. Das Verständnis der Eigenschaften solcher extrem neutronenreichen Kerne ist von großer Bedeutung für die Weiterentwicklung und für Tests der modernen Kerntheorien. Diese bilden wiederum die Grundlage zur Vorhersage und dem Verständnis von Eigenschaften neutronenreicher Kerne und neutronenreicher Kernmaterie, die in unserem Universum eine große Rolle spielen, beispielsweise bei der Synthese der schweren Elemente. Sie entstehen unter anderem bei Kollisionen von Neutronensternen, die unlängst durch die Multi-Messenger-Astronomie mithilfe der Messung von Gravitationswellen nachgewiesen werden konnten.

„Das Ergebnis beleuchtet eindrücklich die Relevanz und den Beitrag der für FAIR entwickelten Messaufbauten, wie in diesem Beispiel dem NeuLAND-Detektor, der für die Durchführung des Experiments unerlässlich war“, sagt Professor Paolo Giubellino, Wissenschaftlicher Geschäftsführer von GSI und FAIR. „Gemeinsam mit unseren japanischen Kolleg*innen, mit denen eine langjährige erfolgreiche Zusammenarbeit besteht, und in einem internationalen Team aus Spitzenforschenden konnte dieses hervorragende Ergebnis erzielt werden, auf das alle Beteiligten sehr stolz sein können.“

Die Beteiligung der deutschen Universitäten an Entwicklung und Bau des R3B-NeuLAND-Detektors wurde über die Verbundforschung des BMBF wesentlich unterstützt. Das Experiment wurde von der DFG über den Sonderforschungsbereich SFB 1245 „Atomkerne: Von fundamentalen Wechselwirkungen zu Struktur und Sternen“ an der TU Darmstadt gefördert.

Originalpublikation:

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06352-6

Weitere Informationen:

https://www.gsi.de/start/aktuelles/detailseite/2023/10/05/28-o-measurement