Material aus dem PSI hilft, Ungereimtheiten in der Urknalltheorie zu überprüfen

Zum besseren Verständnis der Entstehungsgeschichte des Universums haben Forschende des Paul Scherrer Instituts ein nur aufwendig zu erlangendes Puzzlestück geliefert: Sie konnten eine Probe aus sehr seltenen, kurzlebigen Atomen herstellen. Es handelt sich um die Atome des Isotops Beryllium-7. In der Folge konnte am CERN dieses Beryllium-7 – konkret: seine Interaktion mit Neutronen – weitaus genauer als je zuvor untersucht werden.

Da Beryllium-7 durch seinen radioaktiven Zerfall zu Lithium-7 wird, hilft seine Erforschung, ein fundamentales Problem der Urknalltheorie zu knacken: Die Theorie sagt nämlich eine drei bis vier Mal grössere Menge Lithium voraus, als tatsächliche Messungen im Universum zeigen. Dieses sogenannte Kosmologische Lithiumproblem ist eines der letzten grossen Rätsel der derzeitigen Theorie zur Entstehung des Universums. Denn bei allen anderen Elementen, die kurz nach dem Urknall entstanden, deckt sich die Urknalltheorie gut mit den gemessenen Daten.

Fast das gesamte, heute im Universum vorhandene Lithium-7 stammt aus dem Zerfall von Beryllium-7, das wiederum kurz nach dem Urknall entstand. Daher gingen die Forschenden der Frage nach, ob es vielleicht anfangs doch weniger Beryllium gegeben habe, als man bislang glaubte, und sich so das Kosmologische Lithiumproblem erklären liesse. Eines der letzten, noch zu überprüfenden Details war der sogenannte Neutroneneinfangquerschnitt von Beryllium-7. Dieser Wert sagt die Wahrscheinlichkeit dafür voraus, dass ein Beryllium-7-Atomkern ein freies Neutron einfängt und in der Folge zerfällt.

„Der Neutroneneinfangquerschnitt von Beryllium-7 war zuletzt vor rund 50 Jahren vergleichsweise ungenau bestimmt worden“, erklärt die PSI-Forscherin Dorothea Schumann, Leiterin der Forschungsgruppe für Isotopen- und Targetchemie. Diese Kennzahl sollte nun am CERN genauer als je zuvor untersucht werden. Die dafür notwendige Probe aus Beryllium-7 stellten die PSI-Forschenden.

Jahrelange Vorbereitungen und Testdurchläufe

Die Herstellung und Vermessung der Beryllium-7-Probe glich einer einmaligen Theateraufführung, für die die Forschenden rund drei Jahre Vorbereitungen treffen und Testdurchläufe machen mussten. Beryllium-7 verschwindet durch seinen radioaktiven Zerfall so rasch, dass sich seine Menge rund alle 53 Tage halbiert. Daher musste vor dem eigentlichen Durchlauf sowohl am PSI als auch am CERN als auch für den Transport zwischen den beiden Instituten alles auf Position sein – damit zwischen der Herstellung der Probe und ihrer Vermessung so wenig Zeit wie möglich verstreichen würde.

Die Idee zum Experiment entstand im Jahr 2012. PSI-Forscherin Schumann wusste, dass sie aus dem Kühlwasser der Neutronenspallationsquelle SINQ, die am PSI für Experimente mit Neutronenstrahlen betrieben wird, das seltene Beryllium-7 extrahieren könnte.

„Hier am PSI haben wir mit der SINQ und mit den anderen Grossforschungsanlagen einmalige Quellen, um sehr seltene, radioaktive Isotope zu ernten“, sagt Schumann. „Diese Isotope sind für die Forschenden, die diese Anlagen betreiben und nutzen, ein Nebenprodukt – aber für viele andere Forschungseinrichtungen sehr nützlich und dringend benötigt.“ Wie Goldschürfer extrahieren Schumann und ihre Forschungsgruppe die seltenen Isotope. „Und dann agieren wir als Schnittstelle zu anderen Forschenden ausserhalb des PSI, die an angereicherten Proben aus diesen Isotopen interessiert sind.“

Das CERN ist interessiert

An einer Probe aus Beryllium-7 bekundeten Forschende des CERN Interesse. „Sie wussten, dass sie damit dem Kosmologischen Lithiumproblem zu Leibe rücken konnten“, erzählt Schumann.

So ging es an die Vorbereitungen: Innerhalb des PSI suchte Schumann den Kontakt zu den Forschenden und Ingenieuren, die die SINQ betreiben. Den Spezifikationen der Isotopenforschenden entsprechend wurde ein spezielles Filtersystem an das Kühlwasser der SINQ angeschlossen, das über einen Zeitraum von rund drei Wochen Material auffangen konnte, das eine geeignete Menge Beryllium-7 enthielt. „Als Laie kann man sich unseren Filter durchaus ähnlich vorstellen wie die im Haushalt bekannten Filter für Leitungswasser“, sagt Stephan Heinitz, Wissenschaftler in der Forschungsgruppe von Schumann.

Das hierbei gewonnene Material musste dann unter anderem chemisch getrennt werden. „Hierfür ist spezielles Expertenwissen notwendig – das wir in meiner Forschungsgruppe glücklicherweise haben“, so Schumann. Dennoch dauerte diese Prozedur eine weitere Woche und musste zum Schutz vor der radioaktiven Strahlung des Materials in einer sogenannten Hotzelle durchgeführt werden – einem Labor, das für die Handhabung hoch radioaktiver Stoffe eingerichtet ist.

Ein Transportgewicht von 800 Kilogramm

Von dort aus musste die aufbereitete Probe aus Beryllium-7 in eine geeignete Halterung und diese wiederum in die etwa Kochtopfgrosse Vorrichtung überführt werden, die für den Einsatz im Experimentieraufbau am CERN bestimmt war. „Die Vorrichtungen sowie die strahlungssicheren Gefässe zum Überführen des Materials – all das wurde massgefertigt“, erzählt Emilio Maugeri, ebenfalls Forscher in Schumanns Gruppe.

Zuletzt musste zur richtigen Zeit ein Sondertransport für radioaktive Stoffe vom PSI ans CERN organisiert und genehmigt werden.

„Die eigentliche Probe, die wir dem CERN geliefert haben, enthielt nur einige millionstel Gramm an Beryllium-7“, erzählt Schumann. „Doch durch die entsprechende Abschirmung ergab sich am Ende ein Transportgewicht von 800 Kilogramm.“

Im entscheidenden Zeitraum glückte dann alles planmässig. Die CERN-Forschenden konnten mit der PSI-Probe das Experiment durchführen und den bis dahin noch ungenügend bekannten Neutroneneinfangquerschnitt des Beryllium-7 bestimmen.

Das Kosmologische Lithiumproblem ist weiter ungelöst

Insbesondere waren die CERN- und PSI-Forschenden und mit Ihnen Forschende von weiteren 41 Forschungseinrichtungen an einem bestimmten Zerfallsweg von Beryllium-7 interessiert: Die Wahrscheinlichkeit für einen Prozess, bei dem ein Atomkern des Beryllium-7 ein freies Neutron – also ein ungeladenes Elementarteilchen – einfängt. Zugleich verlässt dann eines der Protonen den Beryllium-Atomkern. Dadurch, dass der Atomkern nun ein Proton weniger enthält (und ein Neutron mehr), wandelt sich das Berylliumatom in ein Atom des Elements Lithium um: Es wird zu Lithium-7. Der sogenannte Neutroneneinfangquerschnitt – also die Wahrscheinlichkeit für diesen ganzen Prozess – ist abhängig von der Energie, die das freie Neutron hat. Daher nutzten die Forschenden die Möglichkeit am CERN, die Energie der Neutronen zu variieren, und erstellten eine Messreihe für verschiedenste Neutronenenergien.

Doch auch diese aktuelle Messung des Neutroneneinfangquerschnitts löste das Kosmologische Lithiumproblem nicht. Wie Schumann sagt: „Mit der neuen Messung konnten die CERN-Forschenden den Neutroneneinfangquerschnitt so genau bestimmen, dass nun klar ist: Hierüber lässt sich das Kosmologische Lithiumproblem nicht lösen; es besteht nach wie vor. Die Wissenschaftsgemeinde wird weiterhin nach einer Erklärung suchen müssen.“

Text: Paul Scherrer Institut/Laura Hennemann

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 390 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Kontakt/Ansprechpartner

Dr. Dorothea Schumann
Leiterin Forschungsgruppe für Isotopen- und Targetchemie
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 40 04
E-Mail: dorothea.schumann@psi.ch [Deutsch, Englisch]

Dr. Stephan Heinitz
Forschungsgruppe für Isotopen- und Targetchemie
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 45 83
E-Mail: stephan.heinitz@psi.ch [Deutsch, Englisch, Russisch]

Dr. Emilio Maugeri
Forschungsgruppe für Isotopen- und Targetchemie
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 24 07
E-Mail: emilio-andrea.maugeri@psi.ch [Englisch, Italienisch, Französisch]

The 7Be(n;p)7Li reaction and the Cosmological Lithium Problem: measurement of the cross section in a wide energy range at n_TOF (CERN)
L. Damone et al.
Physical Review Letters, 24 July 2018 (online)
DOI: https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.042701

http://psi.ch/CHe4 – Darstellung der Mitteilung auf der Webseite des PSI
http://psi.ch/82JH – „Sternmaterie aus dem Paul Scherrer Institut“ – Medienmitteilung vom 8. April 2014
http://psi.ch/SGEi – “Radioactive targets produced at PSI enable improving the Big Bang Theory” – Mitteilung vom 19. Oktober 2016; nur auf Englisch