Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Einblicke in die Entstehung schwerer Elemente

03.12.2015

Alphateilchen spielen eine entscheidende Rolle bei der Bildung schwererer Elemente. Kohlenstoff geht etwa aus der Verschmelzung dreier Alphateilchen hervor. Kommt noch ein weiterer Heliumkern hinzu, bildet sich Sauerstoff – eine weitere Voraussetzung für die Entstehung irdischen Lebens.

Ein internationales Forscherteam stellt in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature nun eine neue Methode vor, mit der sich diese Geburtsprozesse im Innern von Sternen detailliert auf Supercomputern simulieren lassen. Das Verfahren verringert den Rechenaufwand und ermöglichte es erstmals den Streuprozess zweier Alphateilchen von Grund auf zu berechnen.


Streuung zweier Alphateilchen, im Hintergrund: Supercomputer JUQUEEN am Jülich Supercomputing Centre (JSC)

Copyright: Forschungszentrum Jülich

Die Simulation der Prozesse, die zur Bildung schwererer Elemente führen, ist sehr rechenintensiv. Selbst die schnellsten Supercomputer der Welt sind gerade einmal in der Lage, die Entstehung sehr leichter Elemente nachzuvollziehen. All die umherschwirrenden Protonen und Neutronen, aus denen sich auch die Atomkerne zusammensetzen, stehen miteinander in Wechselwirkung.

Zudem gilt es, vielfältige theoretisch mögliche Quantenzustände jedes Teilchens zu berücksichtigen. Der erforderliche Rechenaufwand steigt daher mit der Zahl der beteiligten Partikel sprunghaft an. Sogenannte Ab-initio-Simulationen beschränkten sich daher bisher auf Reaktionen, an denen nicht mehr als fünf Partikel beteiligt sind.

Derartige Simulationsverfahren kommen ohne äußere, experimentell zu bestimmende Parameter aus. Die gewonnenen Erkenntnisse fußen damit allein auf den zugrundeliegenden Gesetzen der Physik.

Mithilfe eines neuen Rechenverfahrens ist es Wissenschaftlern an den Universitäten in Bonn und Bochum, des Forschungszentrums Jülich sowie zweier US-amerikanischer Universitäten nun gelungen, einen deutlich komplexeren Vorgang nachzustellen.

Sie untersuchten die als Streuung bezeichnete Ablenkung zweier Heliumkerne: eine Reaktion, die insgesamt 8 Nukleonen – so die Sammelbezeichnung für Protonen und Neutronen – umfasst. Für ihre Berechnungen nutzten sie einen der leistungsstärksten Supercomputer der Welt, den Superrechner JUQUEEN am Jülich Supercomputing Centre (JSC).

Den enormen Rechenaufwand verringerten sie dabei mit einem Trick: Die Forscher platzierten die beteiligten Nukleonen nicht frei im Raum, sondern auf einem virtuellen Gitter, dessen Zustand sich sehr effizient parallel mit einer großen Anzahl von Prozessoren berechnen lässt, wie sie heutige Superrechner aufweisen.

Auf diese Weise steigt die Rechenzeit nicht wie bisher exponentiell, sondern nur noch quadratisch mit der Zahl der beteiligten Nukleonen an. Der Rechenaufwand für ein System mit 16 Teilchen ist somit nur viermal größer als für ein 8-Teilchen-System. Stiege die Rechenzeit dagegen exponentiell, wäre ein Supercomputer wie JUQUEEN nicht mehr nur ein paar Wochen, sondern gleich mehrere Jahrtausende beschäftigt.

Nachdem Physiker bereits vor einigen Jahren die Grundbedingungen für die Bildung von Kohlenstoff entschlüsseln konnten, rückt mit dem neuen Verfahren die Erforschung eines weiteren lebenswichtigen Entstehungsprozesses in greifbare Nähe: die Bildung von Sauerstoff, die auch schon als „heiliger Gral der Astrophysik“ bezeichnet wurde. Die Methode könnte darüber hinaus auch neue Perspektiven für Simulationsrechnungen in der Elementarteilchenphysik eröffnen, in der anstelle von Atomkernen das Verhalten von Quarks und Gluonen im Fokus steht.

Originalpublikation:
Ab initio alpha-alpha scattering
Serdar Elhatisari, Dean Lee, Gautam Rupak, Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Timo A. Lähde, Thomas Luu, Ulf-G. Meißner
Nature (scheduled for publication on 03 December 2015), DOI: 10.1038/nature16067

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Ulf-G. Meißner, Institut für Kernphysik, Theorie der Starken Wechselwirkung (IKP-3); Helmholtz-Institut für Strahlen und Kernphysik, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
Tel. 02461 61-4401; 0228 732365
E-Mail: u.meissner@fz-juelich.de; meissner@itkp.uni-bonn.de

Pressekontakt:
Dr. Regine Panknin, Unternehmenskommunikation, Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-9054
E-Mail: r.panknin@fz-juelich.de

Tobias Schlößer, Unternehmenskommunikation,
Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-4771
E-Mail: t.schloesser@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Meldungen/PORTAL/DE/2011/11-05-12meissner.ht...
http://www.fz-juelich.de/ikp/ikp-3/DE/Home/TheorieDerStarkenWechselwirkung.html
http://www.fz-juelich.de/ias/jsc/DE/Home/home_node.html
http://www.rub.de
http://www.uni-bonn.de

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt
03.07.2020 | Universität Wien

nachricht Physiker blicken mit Pikoskope in das Innere der atomaren Materie
01.07.2020 | Universität Rostock

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: Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt

Ein internationales Team von Wissenschaftern aus Österreich, Deutschland und der Ukraine hat ein neues supraleitendes System gefunden, in dem sich magnetische Flussquanten mit Geschwindigkeiten von 10-15 km/s bewegen können. Dies erschließt Untersuchungen der reichen Physik nichtlinearer kollektiver Systeme und macht einen Nb-C-Supraleiter zu einem idealen Materialkandidaten für Einzelphotonen-Detektoren. Die Ergebnisse sind in Nature Communications veröffentlicht.

Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, das bei niedrigen Temperaturen in vielen Materialien auftritt und das sich durch einen verschwindenden...

Im Focus: Elektronen auf der Überholspur

Solarzellen auf Basis von Perowskitverbindungen könnten bald die Stromgewinnung aus Sonnenlicht noch effizienter und günstiger machen. Bereits heute übersteigt die Labor-Effizienz dieser Perowskit-Solarzellen die der bekannten Silizium-Solarzellen. Ein internationales Team um Stefan Weber vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz hat mikroskopische Strukturen in Perowskit-Kristallen gefunden, die den Ladungstransport in der Solarzelle lenken können. Eine geschickte Ausrichtung dieser „Elektronen-Autobahnen“ könnte Perowskit-Solarzellen noch leistungsfähiger machen.

Solarzellen wandeln das Licht der Sonne in elektrischen Strom um. Dabei wird die Energie des Lichts von den Elektronen des Materials im Inneren der Zelle...

Im Focus: Electrons in the fast lane

Solar cells based on perovskite compounds could soon make electricity generation from sunlight even more efficient and cheaper. The laboratory efficiency of these perovskite solar cells already exceeds that of the well-known silicon solar cells. An international team led by Stefan Weber from the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz has found microscopic structures in perovskite crystals that can guide the charge transport in the solar cell. Clever alignment of these "electron highways" could make perovskite solar cells even more powerful.

Solar cells convert sunlight into electricity. During this process, the electrons of the material inside the cell absorb the energy of the light....

Im Focus: Das leichteste elektromagnetische Abschirmmaterial der Welt

Empa-Forschern ist es gelungen, Aerogele für die Mikroelektronik nutzbar zu machen: Aerogele auf Basis von Zellulose-Nanofasern können elektromagnetische Strahlung in weiten Frequenzbereichen wirksam abschirmen – und sind bezüglich Gewicht konkurrenzlos.

Elektromotoren und elektronische Geräte erzeugen elektromagnetische Felder, die bisweilen abgeschirmt werden müssen, um benachbarte Elektronikbauteile oder die...

Im Focus: The lightest electromagnetic shielding material in the world

Empa researchers have succeeded in applying aerogels to microelectronics: Aerogels based on cellulose nanofibers can effectively shield electromagnetic radiation over a wide frequency range – and they are unrivalled in terms of weight.

Electric motors and electronic devices generate electromagnetic fields that sometimes have to be shielded in order not to affect neighboring electronic...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz QuApps zeigt Status Quo der Quantentechnologie

02.07.2020 | Veranstaltungen

Virtuelles Meeting mit dem BMBF: Medizintechnik trifft IT auf der DMEA sparks 2020

17.06.2020 | Veranstaltungen

Digital auf allen Kanälen: Lernplattformen, Learning Design, Künstliche Intelligenz in der betrieblichen Weiterbildung, Chatbots im B2B

17.06.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Der sechste Sinn der Tiere: Ein Frühwarnsystem für Erdbeben?

03.07.2020 | Biowissenschaften Chemie

Effizient, günstig und ästhetisch: 
Forscherteam baut Elektroden aus Laubblättern

03.07.2020 | Energie und Elektrotechnik

Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt

03.07.2020 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics