{"id":71108,"date":"2023-06-26T14:38:00","date_gmt":"2023-06-26T12:38:00","guid":{"rendered":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=71108"},"modified":"2025-02-20T11:38:10","modified_gmt":"2025-02-20T10:38:10","slug":"materie-am-limit","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/forschung-frankfurt\/materie-am-limit\/","title":{"rendered":"Materie am Limit"},"content":{"rendered":"

Wie Gold, Blei & Co. entstanden sind<\/h4>\n\n\n\n
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Wenn die Kerne schwerer Atome mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinanderprallen, bilden sich aus der ungeheuren Energie des Zusammensto\u00dfes unz\u00e4hlige neue Teilchen, wie diese Simulationsrechnung zeigt. Sie k\u00fcnden von den \u00adEigenschaften der extrem komprimierten Materie im Moment des Zusammen\u00adsto\u00dfes.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

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Beim Clusterprojekt ELEMENTS von Goethe-Universit\u00e4t, TU Darmstadt, Universit\u00e4t Gie\u00dfen und GSI Helmholtzzentrum f\u00fcr Schwerionenforschung arbeiten Theorie und Experiment Hand in Hand, um die Struktur der Materie unter extremen Bedingungen zu verstehen. So wird ersichtlich, warum etwa Kollisionen von Neutronensternen viele der schweren Elemente auf unserem Planeten geliefert haben.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

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Wer sich mit der Entstehung der Elemente befassen will, muss sich auf Superlative gefasst machen. Denn aus dem Urknall sind nur die leichtesten Elemente wie Wasserstoff und Helium hervorgegangen. Um all die Materie zu schaffen, aus der Planeten wie die Erde und wir selbst bestehen, mussten diese leichten Atomkerne erst sukzessive zu schwereren Elementen verschmelzen. Je schwerer die Elemente, desto extremere Bedingungen werden ben\u00f6tigt: Wer h\u00e4tte schon beim Blick auf seinen goldenen Ring gedacht, dass dieses Material der \u00dcberrest einer Neutronenstern\u00adkollision ist? Am Clusterprojekt ELEMENTS wollen Forscherinnen und Forscher Materie unter genau \u00adsolchen extremen Bedingungen untersuchen. Durch Versuche an Teilchenbeschleunigern und den Vergleich mit kosmischen Daten wollen sie dem Ursprung der Elemente und dem Verhalten bei sogenannten kataklysmischen kosmischen Prozessen auf die Schliche kommen, also Prozessen, die mit einer pl\u00f6tzlichen Zerst\u00f6rung einhergehen (von griechisch Kataklysmos).<\/p>\n\n\n\n

Der Prozess, wie Elemente im Lauf der kosmischen Entwicklung gebildet wurden, hei\u00dft Nukleosynthese. Dabei spielen eine ganze Reihe von Vorg\u00e4ngen eine Rolle \u2013 von der Kernfusion im Innern von Sternen wie unserer Sonne \u00fcber Supernovaexplosionen bis hin zu Kollisionen von Neutronensternen. Die ersten Schritte bei diesem Prozess, die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium und dann weiter zu Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen und anderen mittelschweren Elementen, ist heute bereits gut verstanden. Diese Elemente werden im Wesentlichen durch Fusionsprozesse in Sternen gebildet, wobei leichte Sterne nur leichte Elemente produzieren k\u00f6nnen, w\u00e4hrend schwere Sterne auch schwerere Elemente bis zur Gr\u00f6\u00dfe von Eisen und Nickel zusammenbacken.<\/p>\n\n\n\n

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Entstehung der schweren Elemente<\/h3>\n\n\n\n

Doch die Entstehung der schweren Elemente wie Gold, Blei und Uran wirft viele Fragen auf: Welche Bedingungen m\u00fcssen herrschen, damit derart schwere Atomkerne weiter anwachsen k\u00f6nnen? \u00bbDie Fusion kommt irgendwann an Grenzen\u00ab, sagt Hannah Elfner, die als Professorin f\u00fcr theoretische Kernphysik an der Goethe-Universit\u00e4t sowie am Darmst\u00e4dter GSI Helmholtzzentrum f\u00fcr Schwerionenforschung arbeitet und bei ELEMENTS mitwirkt. \u00bbJe schwerer ein Atomkern ist, desto gr\u00f6\u00dfer ist auch seine elektrische Ladung. Da Atomkerne unglaublich klein sind, herrschen in der N\u00e4he des Atomkerns sehr starke elektrische Felder, die andere Atomkerne absto\u00dfen.\u00ab Selbst die hohen Temperaturen im Zentrum von Sternen reichen dann nicht aus, um so schwere Atomkerne miteinander verschmelzen zu lassen. Auf der Erde stellen die notwendigen hohen Temperaturen zum Beispiel bei der Realisation von Fusions\u00adreaktoren wie ITER eine H\u00fcrde dar, obwohl dort lediglich Wasserstoff fusioniert werden soll.<\/p>\n\n\n\n

\u00bbSehr schwere Elemente entstehen deshalb nicht durch Kernfusion, sondern durch Anlagerung von Neutronen, die elektrisch neutral sind und deshalb nicht von den Atomkernen ab\u00adgesto\u00dfen werden\u00ab, so Elfner. Nun sind frei um\u00adherfliegende Neutronen nicht stabil, sondern zerfallen, wenn sie nicht von Atomkernen eingefangen werden. Um schwere Atomkerne zu erzeugen, braucht es eine gro\u00dfe Menge an Neutronen. \u00bbSo viele Neutronen werden nur bei extremen kosmischen Prozessen freigesetzt\u00ab, erkl\u00e4rt Elfner. Das sind zun\u00e4chst Supernova\u00adexplosionen, bei denen ganze Sterne zerst\u00f6rt werden. Je nach Art der Supernova kann am Ende ein Schwarzes Loch, ein Neutronenstern oder nichts weiter als eine hei\u00dfe expandierende Gaswolke stehen. Falls Neutronensterne kollidieren, erzeugt dies noch extremere Bedingungen als eine Supernova. Die schwersten \u00adElemente gehen aus solchen gigantischen Explosionen hervor, bei denen sogar Raum und Zeit so ins Wackeln geraten, dass diese Kollisionen mit sogenannten Gravitationswellendetektoren nachgewiesen werden k\u00f6nnen. Das ist vor ein paar Jahren endlich gegl\u00fcckt und wurde mit dem Nobelpreis gew\u00fcrdigt.<\/p>\n\n\n\n

\u00bbF\u00fcr die heutige Astro- und Kernphysik sind Neutronensterne besonders spannend, weil sie aus reiner Kernmaterie bestehen und weil sie unglaublich dicht sind\u00ab, sagt Tetyana Galatyuk, die als Professorin f\u00fcr experimentelle Teilchenphysik an der Technischen Universit\u00e4t Darmstadt ebenfalls an ELEMENTS beteiligt ist. \u00bbUns interessieren dabei aber weniger die Gravitationswellen, die freigesetzt werden, wenn zwei solcher Objekte zusammensto\u00dfen. Uns besch\u00e4ftigt vielmehr die Frage, wie sich die Kernmaterie unter diesen Bedingungen verh\u00e4lt.\u00ab<\/p>\n\n\n\n

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Forscherinnen und Forscher aus neun L\u00e4ndern haben zum Bau des HADES-Detektors am GSI Helmholzzentrum f\u00fcr Schwer\u00adionenforschung beigetragen, der hier von der R\u00fcckseite zu sehen ist. Die schirmartig angeordneten Detektorelemente fangen die Teilchenschauer auf, die als Folge kollidierender schwerer Atomkerne entstehen.<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

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Atomkerne zerplatzen<\/h3>\n\n\n\n

Denn Atomkerne unterliegen selbst schon riesigen Kr\u00e4ften. Ein Atomkern ist winzig im Vergleich zu seiner Elektronenh\u00fclle und rund um den Faktor 100\u2006000 kleiner. Auf diesem kleinen Raum dr\u00e4ngen sich Neutronen und positiv geladene Protonen. \u00bbUnd wir bei ELEMENTS wollen sehen, was passiert, wenn wir diese Kernmaterie weiter verdichten und aufheizen\u00ab, erkl\u00e4rt Galatyuk. \u00bbDazu schie\u00dfen wir in Teilchen\u00adbeschleunigern wie etwa hier an der GSI oder auch am CERN und in Brookhaven in den USA schwere Atomkerne aufeinander und analysieren die Kollisionen.\u00ab Gro\u00dfe Detektoren machen die Spuren sichtbar, die diese Atomkernkollisionen hinterlassen.<\/p>\n\n\n\n

Dabei finden innerhalb k\u00fcrzester Zeit hochkomplexe Prozesse statt, die aufwendiger Analyse bed\u00fcrfen. \u00bbSolche Geschehnisse lassen sich nicht mehr einfach aus den bekannten Natur\u00adgesetzen berechnen\u00ab, sagt Elfner. Die Atomkerne zerplatzen, vermischen sich und k\u00f6nnen sogar neue Materiezust\u00e4nde annehmen. \u00bbUm die Daten von solchen Experimenten zu interpretieren, m\u00fcssen wir Theoretiker mit Modellen und Simulationen arbeiten.\u00ab<\/p>\n\n\n\n

Ohne eine enge Zusammenarbeit von Experiment und Theorie geht hier nichts: Nur aufwendige Analysen erlauben es, in der Vielzahl von Spuren in den Detektoren die interessanten Ereignisse zu finden, die neue Erkenntnisse \u00fcber die Kernmaterie bringen. \u00bbWenn wir schwere Atomkerne wie Blei- oder Goldkerne aufeinanderschie\u00dfen, kann sich dort ein neuartiger Materiezustand bilden, das sogenannte Quark-Gluon-Plasma\u00ab, erkl\u00e4rt Galatyuk. Dabei platzen die Protonen und Neutronen in den Atomkernen gewisserma\u00dfen auf und ihre elementaren Bestandteile, die Quarks und Gluonen, fliegen f\u00fcr einen winzig kurzen Augenblick frei durcheinander, bevor sie sich wieder zu Kernteilchen vereinigen.<\/p>\n\n\n\n

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New York als Zuckerw\u00fcrfel<\/h3>\n\n\n\n

\u00bbBei solchen Kollisionen werden Temperaturen von rund einer Billion Grad erreicht, das ist 100\u2009000-mal hei\u00dfer als im Zentrum der Sonne\u00ab, so Galatyuk. \u00bbDabei wird die ohnehin extrem dichte Kernmaterie nochmals um den Faktor drei bis f\u00fcnf zusammengequetscht und erreicht eine gigantische Dichte von rund 280 Millionen Tonnen pro Kubikzentimeter. Das ist so, als w\u00fcrde man die gesamte Stadt New York mit allen Geb\u00e4uden in einen Zuckerw\u00fcrfel komprimieren.\u00ab<\/p>\n\n\n\n

Allerdings besteht so ein ultrahei\u00dfer Feuerball, wie er bei der Kollision von schweren Atomkernen entsteht, nur f\u00fcr extrem kurze Zeit. Schon nach weniger als einer milliardstel billionstel Sekunde ist er wieder zerfallen. \u00bbInnerhalb dieser kurzen Zeitspanne k\u00f6nnen die zahlreichen Quarks und Gluonen in diesem Feuerball rund ein Dutzend wechselseitige Zusammenst\u00f6\u00dfe machen, was f\u00fcr ein sehr komplexes Signal im Detektor sorgt\u00ab, erkl\u00e4rt Elfner.<\/p>\n\n\n\n

Allerdings kommt den Forscherinnen und Forschern hier ein willkommener Effekt zugute: In seltenen F\u00e4llen wird mitten im hei\u00dfen Feuerball ein sehr hochenergetisches Lichtteilchen erzeugt, das seine Energie dann in ein Paar aus Elektron und Positron \u2013 dem Antiteilchen des Elektrons \u2013 umwandelt. Das Elektron und das Positron gehen keine Wechselwirkung mit den Quarks und Gluonen des Feuerballs ein und k\u00f6nnen deshalb Informationen \u00fcber dessen Inneres nach au\u00dfen tragen.<\/p>\n\n\n\n

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Zusammenprall der schweren Kerne: Nahe der Licht\u00adgeschwindigkeit sind die Atomkerne nicht mehr kugelf\u00f6rmig, sondern l\u00e4nglich verzogen (blau und rot, links). Beim Zusammenprall bildet sich ein Feuerball, in dem sich f\u00fcr einen winzigen Sekundenbruchteil eine \u00bbSuppe\u00ab der Elementarteilchen bildet, das Quark-Gluon-Plasma. Mit der Expansion schlie\u00dfen sich die Quarks und Gluonen wieder zu Kernbausteinen, den Hadronen, zusammen (rechts).<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

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Der Feuerball im HADES<\/h3>\n\n\n\n

\u00bbDiese Elektron-Positron-Paare k\u00f6nnen wir nutzen, um sozusagen \u203aR\u00f6ntgenbilder\u2039 des \u00adFeuerballs zu schie\u00dfen, da sie ihn gut durchdringen k\u00f6nnen, \u00e4hnlich wie R\u00f6ntgenstrahlen den menschlichen K\u00f6rper durchleuchten\u00ab, sagt Galatyuk. \u00bbEin wichtiger Teil meiner Arbeit ist es deshalb, Methoden und Detektorkomponenten zu entwickeln, mit denen man diese Elek\u00adtron-Positron-Paare m\u00f6glichst gut erkennen und auswerten kann.\u00ab<\/p>\n\n\n\n

Im Augenblick nutzt die Kernphysikerin noch den Detektor HADES (High Acceptance Di-Electron Spektrometer), der seit 2002 seine Dienste bei GSI verrichtet. F\u00fcr das neue Beschleunigerzentrum FAIR, das gerade in Darmstadt entsteht, soll der im Bau befindliche Detektor CBM (Compressed Baryonic Matter) diese Aufgabe weiterf\u00fchren. \u00bbBislang haben wir beispielsweise Goldkerne auf 90\u202fProzent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, bei FAIR werden bis zu 99\u202fProzent der Lichtgeschwindigkeit erreicht\u00ab, so Galatyuk.<\/p>\n\n\n\n

Und das ist nur eine Seite der Medaille: An der neuen Anlage werden wesentlich mehr Kollisionen stattfinden. Das hei\u00dft auch, der neue Detektor wird rund 500-mal schneller Daten aufzeichnen m\u00fcssen als der alte. Versuchsreihen, die bislang einen Monat gedauert haben, lassen sich nun in der Mittagspause durchf\u00fchren. Das er\u00f6ffnet eine Vielzahl von M\u00f6glichkeiten und gibt Hoffnung, vor allem seltene Effekte schneller mit \u00fcberzeugender Statistik nachweisen zu k\u00f6nnen. \u00bbAllerdings m\u00fcssen bei der gestiegenen Kollisionsrate auch die Signale der elektronischen Komponenten viel schneller ausgelesen und gespeichert werden\u00ab, erkl\u00e4rt Galatyuk. \u00bbWir werden hier weltweit Rekordma\u00dfst\u00e4be setzen.\u00ab<\/p>\n\n\n\n

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AUF DEN PUNKT GEBRACHT
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