Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eiskalt abgebremst: Mainzer Physiker erzeugen ultrakalte Neutronen am TRIGA-Reaktor

19.12.2008
Weltweit einmalige Bedingungen zur Herstellung und Speicherung ultrakalter Neutronen am Mainzer Forschungsreaktor

Wissenschaftler am Forschungsreaktor TRIGA der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben erstmals die Geschwindigkeitsverteilung von ultrakalten Neutronen (UCN) nach Austritt aus einem Deuterium-Eiskristall bestimmt.

"Damit sind wir ein gutes Stück vorangekommen, um künftig am Mainzer Forschungsreaktor große Mengen ultrakalter Neutronen zu speichern und sie genauer zu untersuchen", erklärt Prof. Dr. Christian Plonka-Spehr vom Institut für Kernchemie. Künftige Experimente sollen dabei helfen, mehr über das Neutron und seine Eigenschaften zu erfahren und dadurch einen Einblick in die Prozesse direkt nach dem Urknall und im frühen Universum zu erhalten. Die Erzeugung von ultrakalten Neutronen ist den Mainzern im Februar 2006 in enger Zusammenarbeit mit dem Physik Department der TU München erstmals gelungen. Seitdem wird dieser Bereich kontinuierlich ausgebaut.

Ausgangspunkt der Arbeiten ist der TRIGA-Reaktor: Normalerweise sind Neutronen zusammen mit Protonen im Atomkern gebunden. Während eines Pulses von 30 Millisekunden Dauer entstehen im Reaktor freie Neutronen, also nicht mehr gebundene Teilchen, mit einer mittleren thermischen Geschwindigkeit von 2.200 Metern pro Sekunde. In unmittelbarer Nähe des Reaktorkerns treffen sie auf einen Eisblock, der aus dem Wasserstoffisotop Deuterium besteht.

Die freien Neutronen übertragen bei dem Aufprall ihre gesamte Energie auf den Deuteriumkristall und werden dadurch auf Geschwindigkeiten um 5 Meter pro Sekunde abgebremst - man spricht nun von "ultrakalten Neutronen". Die ultrakalten Neutronen werden in einem drei Meter langen Extraktionsrohr, das sich an den Eiskristall anschließt, totalreflektiert und nicht wie normale Neutronen absorbiert. "Diese ultrakalten Neutronen verhalten sich wie ein Gas, wir können sie am Ende des Rohres speichern, zählen und beobachten", sagt Plonka-Spehr. Der Physiker hat eine Juniorprofessur inne, die die Carl-Zeiss-Stiftung Anfang des Jahres 2008 speziell zu diesem Thema am Institut für Kernchemie eingerichtet hat.

Anerkennung in der Fachpresse fanden insbesondere die Arbeiten zur Geschwindigkeitsverteilung der ultrakalten Neutronen nach ihrem Austritt aus dem Deuteriumkristall. "Mit diesen Ergebnissen können wir unsere Experimente optimal an die UCN-Quelle anpassen", so Plonka-Spehr. Eine weitere Verbesserung wird ein neu installierter Helium-Tank bringen, der in den vergangenen Tagen eingerichtet wurde und 1500 Liter flüssiges Helium bei einer Temperatur von etwa minus 270 Grad Celsius speichert. "Der Tank ist wie eine riesige Thermoskanne, aus der wir über Tage und Wochen flüssiges Helium entnehmen können, um den Deuteriumkristall an der Strahlrohrnase zu kühlen." Damit ist die Arbeitsgruppe künftig in der Lage, auch Langzeitexperimente mit ultrakalten Neutronen durchzuführen.

Solche Langzeitexperimente, die dann über mehrere Wochen laufen, sind zum Beispiel für die Bestimmung der Lebensdauer des Neutrons wichtig. Das Neutron hat eine Halbwertszeit von etwa 15 Minuten, wonach es zerfällt. Die Neutronenlebensdauer hat eine wichtige Rolle bei der Entstehung der ersten Elemente unmittelbar nach dem Urknall gespielt und hat einen entscheidenden Einfluss darauf, wie häufig die leichtesten Elemente im Universum vorkommen. "Die Experimente zur Neutronenlebensdauer liefern zurzeit widersprüchliche Daten. Da möchten wir jetzt in Mainz mit den Messungen an unserer UCN-Quelle gerne mehr Klarheit erhalten." In Zusammenarbeit mit einem Team russischer Wissenschaftler werden Plonka-Spehr und Univ.-Prof. Dr. Werner Heil vom Institut für Physik ab 2009 an der UCN-Forschungseinrichtung des Mainzer Reaktors ein Lebensdauerexperiment einrichten.

Ab 2009 wird am Reaktor auch ein zweiter Strahlrohrplatz für UCN-Experimente zur Verfügung stehen, was noch mehr Möglichkeiten für neue Versuche schafft und eine viel größere Flexibilität ermöglicht. Dies wird einer Kooperation der Mainzer Physiker mit dem Paul Scherrer Institut im schweizerischen Villigen zugute kommen. Dort wollen die Wissenschaftler in einem hochempfindlichen Experiment herausfinden, ob das Neutron im Innern über eine Ladungsverteilung verfügt, welche erklären könnte, weshalb wir heute nur Materie im Universum finden und nicht auch Antimaterie, die unmittelbar nach dem Urknall noch existiert hat.

Die hohe UCN-Dichte, die jetzt schon am Mainzer Forschungsreaktor erzeugt werden kann, wird durch die verschiedenen Neuerungen in den nächsten Jahren weiter gesteigert. "Die Kombination eines pulsbaren Reaktors mit der UCN-Herstellung in einem festen Deuteriumkristall bei Temperaturen um minus 270 Grad Celsius ist zusammen mit der Möglichkeit, die UCN-Speicherflaschen in Minutenabständen zu befüllen, weltweit einmalig und verschafft uns die hohe UCN-Dichte, die in einer derartigen Anordnung sonst zurzeit nirgends erreicht wird", führt Plonka-Spehr aus.

Originalveröffentlichung:
Neutron velocity distribution from a superthermal solid 2H2 ultracold neutron source, I. Altarev et al., The European Physical Journal A 37, 9-14 (2008)

DOI: 10.1140/epja/i2008-10604-8

Kontakt und Informationen:
Juniorprofessor Dr. Christian Plonka-Spehr
Institut für Kernchemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Tel. 06131 39-25314
Fax 06131 39-25253
E-Mail: plonka@uni-mainz.de

Petra Giegerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.kernchemie.uni-mainz.de
http://epja.edpsciences.org/
http://www.uni-mainz.de/presse/20829.php

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All
24.01.2017 | Leibniz Universität Hannover

nachricht European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen
24.01.2017 | European XFEL GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Scientists spin artificial silk from whey protein

X-ray study throws light on key process for production

A Swedish-German team of researchers has cleared up a key process for the artificial production of silk. With the help of the intense X-rays from DESY's...

Im Focus: Forscher spinnen künstliche Seide aus Kuhmolke

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY einen zentralen Prozess für die künstliche Produktion von Seide entschlüsselt. Mit Hilfe von intensivem Röntgenlicht konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich kleine Proteinstückchen – sogenannte Fibrillen – zu einem Faden verhaken. Dabei zeigte sich, dass die längsten Proteinfibrillen überraschenderweise als Ausgangsmaterial schlechter geeignet sind als Proteinfibrillen minderer Qualität. Das Team um Dr. Christofer Lendel und Dr. Fredrik Lundell von der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Ergebnisse in den „Proceedings“ der US-Akademie der Wissenschaften vor.

Seide ist ein begehrtes Material mit vielen erstaunlichen Eigenschaften: Sie ist ultraleicht, belastbarer als manches Metall und kann extrem elastisch sein....

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Neuer Algorithmus in der Künstlichen Intelligenz

24.01.2017 | Veranstaltungen

Gehirn und Immunsystem beim Schlaganfall – Neueste Erkenntnisse zur Interaktion zweier Supersysteme

24.01.2017 | Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Im Interview mit Harald Holzer, Geschäftsführer der vitaliberty GmbH

24.01.2017 | Unternehmensmeldung

MAIUS-1 – erste Experimente mit ultrakalten Atomen im All

24.01.2017 | Physik Astronomie

European XFEL: Forscher können erste Vorschläge für Experimente einreichen

24.01.2017 | Physik Astronomie