Wie Wissenschaftler Sternexplosionen auf der Erde nachbilden

Elemente im Labor schmieden

Jedes Atom Kalzium in Ihren Knochen, jede Spur von Selen in Ihrer Ernährung wurde in einem Stern oder seinem gewaltsamen Tod geschmiedet. Seit Jahrzehnten verstehen Wissenschaftler die groben Züge der stellaren Nukleosynthese – des Prozesses, durch den Sterne schwerere Elemente aus leichteren aufbauen. Doch ein hartnäckiges Rätsel blieb bestehen: Etwa 35 seltene, protonenreiche Isotope, sogenannte p-Kerne, konnten durch die Standardprozesse nicht erklärt werden. Um das Rätsel zu lösen, mussten Physiker die Bedingungen explodierender Sterne nachbilden – nicht im Weltraum, sondern in einem Labor in Michigan.

Die Maschine: FRIB

Die Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), die von der Michigan State University für das US-Energieministerium betrieben wird, ist der weltweit leistungsstärkste Beschleuniger für seltene Isotope. Sein supraleitender Linearbeschleuniger – eine Kette von fast 50.000 supraleitenden Komponenten, die auf nahezu den absoluten Nullpunkt gekühlt werden – beschleunigt Ionen jedes Elements, von Wasserstoff bis Uran, auf mehr als die halbe Lichtgeschwindigkeit.

Der beschleunigte Strahl prallt dann auf ein Ziel. Die Kollision zerschmettert schwere Kerne in exotische, kurzlebige Isotope, die normalerweise auf der Erde nicht existieren. Riesige Magnete sortieren die Trümmer, wählen die Isotope aus, die Wissenschaftler wollen, und lenken sie zur Untersuchung in Experimentierhallen. Im Wesentlichen bildet FRIB auf einem Tisch nach, was Supernovae in Sekunden über Lichtjahre hinweg leisten.

Warum es wichtig ist: Die fehlenden Elemente

Die meisten schweren Elemente werden durch zwei gut verstandene Pfade aufgebaut. Der s-Prozess (langsamer Neutroneneinfang) findet in alternden Riesensternen statt und baut Elemente Schritt für Schritt über Tausende von Jahren auf. Der r-Prozess (schneller Neutroneneinfang) findet in katastrophalen Ereignissen wie Neutronensternverschmelzungen statt und erzeugt Elemente in Sekunden. Zusammen machen sie den größten Teil der Isotope aus, die schwerer als Eisen sind.

Aber etwa 35 natürlich vorkommende Isotope – die p-Kerne – sind protonenreich, was bedeutet, dass sie mehr Protonen tragen, als der s- oder r-Prozess erzeugen kann. Diese Isotope, die von Selen-74 bis Quecksilber-196 reichen, sind extrem selten, typischerweise 10 bis 1.000 Mal weniger häufig als ihre Nachbarn im Periodensystem. Die führende Theorie, der sogenannte Gamma-Prozess, besagt, dass sie sich bilden, wenn intensive Gammastrahlung in Supernovae Neutronen von schwereren Kernen abspaltet. Aber bis vor kurzem wurden Schlüsselreaktionen in dieser Kette noch nie direkt gemessen.

Eine erstmalige Messung

In einem bahnbrechenden Experiment verwendete ein Team unter der Leitung der Physikerin Artemis Tsantiri FRIB, um einen Strahl von Arsen-73 zu erzeugen – ein radioaktives Isotop, das in nur 80 Tagen zerfällt. Indem sie diesen Strahl auf ein Wasserstoffziel feuerten, maßen sie direkt die Geschwindigkeit, mit der Arsen-73 ein Proton einfängt, um zu Selen-74 zu werden, dem leichtesten bekannten p-Kern. Es war das erste Mal, dass diese Reaktion jemals mit einem Strahl seltener Isotope beobachtet wurde.

Die Ergebnisse reduzierten die Unsicherheit in Modellen der Selen-74-Produktion um die Hälfte und lieferten die bisher engsten Einschränkungen, wie dieses Element in Supernovae entsteht und zerstört wird. Die Messung bestätigte, dass der Gamma-Prozess die kosmische Häufigkeit von Selen-74 erklären kann – ein entscheidendes Puzzleteil eines jahrzehntealten Rätsels.

Jenseits der Astrophysik

Die Reichweite von FRIB geht weit über die Sterne hinaus. Die exotischen Isotope, die es produziert, dienen als Werkzeuge in der Nuklearmedizin, wo neue Radioisotope gezieltere Diagnostik- und Krebstherapien ermöglichen könnten. Die Einrichtung trägt auch zu Anwendungen der inneren Sicherheit und zur Grundlagenforschung in der Physik bei und testet Symmetrien der Natur, die eine Physik jenseits des Standardmodells enthüllen könnten.

Da der Beschleuniger nun routinemäßig Uranstrahlen mit einer Leistung von 20 Kilowatt erzeugt – doppelt so viel wie sein bisheriger Rekord –, ist FRIB bereit, in den kommenden Jahren Hunderte neuer Isotope zu entdecken. Jedes davon ist ein Datenpunkt, der Wissenschaftlern hilft, die Grenzen der nuklearen Existenz zu kartieren und die gewalttätigen kosmischen Schmieden zu verstehen, die das Periodensystem aufgebaut haben.

Das große Ganze

Zu verstehen, woher Elemente kommen, ist mehr als eine akademische Übung. Das Kalzium in Knochen, das Jod in Schilddrüsen, das Selen in Enzymen – all das wurde vor Milliarden von Jahren in stellaren Prozessen synthetisiert. Einrichtungen wie FRIB ermöglichen es Wissenschaftlern, diese Prozesse rückzuentwickeln und astrophysikalische Modelle mit Laborpräzision zu testen. Ein Strahl exotischer Kerne nach dem anderen füllen sie die Ursprungsgeschichte der Materie selbst aus.