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 Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern
15.09.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Im Focus: Quantensensoren entschlüsseln magnetische Ordnung in neuartigem Halbleitermaterial

Physiker konnte erstmals eine spiralförmige magnetische Ordnung in einem multiferroischen Material abbilden. Diese gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige Datenspeicher. Der Nachweis gelang den Forschern mit selbst entwickelten Quantensensoren, die elektromagnetische Felder im Nanometerbereich analysieren können und an der Universität Basel entwickelt wurden. Die Ergebnisse von Wissenschaftlern des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel sowie der Universität Montpellier und Forschern der Universität Paris-Saclay wurden in der Zeitschrift «Nature» veröffentlicht.

Multiferroika sind Materialien, die gleichzeitig auf elektrische wie auch auf magnetische Felder reagieren. Die beiden Eigenschaften kommen für gewöhnlich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungen

Biowissenschaftler tauschen neue Erkenntnisse über molekulare Gen-Schalter aus

19.09.2017 | Veranstaltungen

Zwei Grad wärmer – und dann?

19.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Zentraler Schalter der Immunabwehr gefunden

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Materialchemie für Hochleistungsbatterien

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie