Hohe Intensität der Kalten Quelle

Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz der TUM: Weltweit intensivster Strahl kalter Neutronen für die Kern- und Teilchenphysik

An der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz der TU München in Garching können seit kurzem auch Forschungsprojekte der Kern- und Teilchenphysik mit kalten Neutronen durchgeführt werden. Mit einer Strahlintensität von knapp sieben Milliarden Neutronen pro Quadratzentimeter und Sekunde liefert die hier installierte Kalte Quelle für dieses Forschungsgebiet den weltweit wohl intensivsten Strahl kalter Neutronen. Am Instrument „Mephisto“ stehen diese nun einem breiten Nutzerkreis zur Verfügung.

Kalte Neutronen werden durch Kollision thermischer Neutronen mit auf -248 0C abgekühltem, flüssigen Deuterium erzeugt. Diese schwere Variante von Wasserstoff absorbiert Neutronen nur sehr schwach und sorgt dafür, dass sie ebenfalls gekühlt und somit abgebremst werden. Mit Geschwindigkeiten von einigen 100 Metern pro Sekunde bewegen sie sich danach vergleichsweise langsam. Für die Grundlagenforschung ist dies allerdings von Vorteil, denn langwellige, energieärmere Neutronen benötigen unter anderem wesentlich länger, um durch eine experimentelle Apparatur hindurch zu fliegen und stehen für Messungen somit auch einen längeren Zeitraum zur Verfügung.

Aufgrund ihrer vielfältigen Wechselwirkungsmöglichkeiten eignen sich Neutronen ausgezeichnet zur Untersuchung grundlegender Fragestellungen der Kern- und Teilchenphysik. Den kalten Neutronenstrahl der Garchinger Hochflussquelle nutzen derzeit zwei Projektgruppen, um die Zerfallseigenschaften des Neutrons aus ganz unterschiedlichen Blickwinkeln heraus zu analysieren. Ein Wissenschaftlerteam aus Moskau und Gatchina bei St. Petersburg will den erstmaligen Nachweis einer seltenen, bislang nur theoretisch vorhergesagten Zerfallsart des Neutrons erbringen, bei der zusätzlich zu den gewöhnlichen Zerfallsprodukten noch eine Röntgenstrahlung auftreten soll. Das zweite Experiment wird in Zusammenarbeit von Wissenschaftlergruppen des Physik-Departments der TU München und der Universität Mainz durchgeführt. Mit dem neuen Spektrometer aSPECT soll am Strahlplatz „Mephisto“ das Spektrum der Protonen aus dem Neutronzerfall mit bislang unerreichter Genauigkeit bestimmt werden.

Der Zweck dieser Messungen besteht darin, Kenngrößen der schwachen Wechselwirkung möglichst genau experimentell zu erfassen und damit auch die mathematische Struktur dieser Kraft zu überprüfen. Als eine der vier fundamentalen Naturkräfte ist die schwache Wechselwirkung unter anderem für radioaktive Zerfälle einer Vielzahl von Atomkernen verantwortlich.

Mit solchen Präzisionsexperimenten am Neutron, das den radioaktiven Zerfall in Reinform zeigt, wollen die Forscher ein detailliertes Bild von Vorgängen in der Natur erhalten, wie z.B. die Bildung der chemischen Elemente während des Urknalls des Universums oder auch die Umwandlungen der Elemente durch Kernreaktionen in Sternen.

Die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz der TU München in Garching zählt in Konzeption und Instrumentierung zu den modernsten Neutronen-Hochflussquellen weltweit. Sie ist auf Neutronenstrahlen mit höchster Intensität bei vergleichsweise niedriger thermischer Leistung optimiert. Die Neutronenstrahlen zeichnen sich dabei in allen Bereichen durch hohe spektrale Reinheit aus. Durch Installation einer ultrakalten Quelle soll künftig das Wellenlängen-Spektrum der Neutronen noch weiter ausgedehnt werden. Diese ultrakalten Neutronen mit Geschwindigkeiten vergleichbar denjenigen von Fußgängern sind so energiearm, dass sie in Flaschen oder geeigneten Magnetfeldern gespeichert werden können und somit noch einen wesentlich längeren Zeitraum beobachtbar sind.

Kontakt:
Prof. Oliver Zimmer
Technische Universität München
Lehrstuhl für Experimentalphysik I
zimmer@e18.physik.tu-muenchen.de