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 Für Körperscanner und Materialprüfung: Neues bildgebendes Verfahren für Terahertz-Strahlung setzt auf Mikrospiegel
06.12.2019 | Technische Universität Kaiserslautern

nachricht Schweizer Weltraumteleskop CHEOPS: Raketenstart voraussichtlich am 17. Dezember 2019
05.12.2019 | Universität Bern

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: Das 136 Millionen Atom-Modell: Wissenschaftler simulieren Photosynthese

Die Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie ist für das Leben unerlässlich. In einer der größten Simulationen eines Biosystems weltweit haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler diesen komplexen Prozess an einem Bestandteil eines Bakteriums nachgeahmt – am Computer, Atom um Atom. Die Arbeit, die jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Cell“ veröffentlicht wurde, ist ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Photosynthese in einigen biologischen Strukturen. An der internationalen Forschungskooperation unter Leitung der University of Illinois war auch ein Team der Jacobs University Bremen beteiligt.

Das Projekt geht zurück auf eine Initiative des inzwischen verstorbenen, deutsch-US-amerikanischen Physikprofessors Klaus Schulten von der University of...

Im Focus: Developing a digital twin

University of Texas and MIT researchers create virtual UAVs that can predict vehicle health, enable autonomous decision-making

In the not too distant future, we can expect to see our skies filled with unmanned aerial vehicles (UAVs) delivering packages, maybe even people, from location...

Im Focus: Freiformflächen bis zu 80 Prozent schneller schlichten: Neue Werkzeuge und Algorithmen für die Fräsbearbeitung

Beim Schlichtfräsen komplexer Freiformflächen können Kreissegment- oder Tonnenfräswerkzeuge jetzt ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Werkzeugen mit Kugelkopf besser ausspielen: Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen entwickelte im Forschungsprojekt »FlexiMILL« gemeinsam mit vier Industriepartnern passende flexible Bearbeitungsstrategien und implementierte diese in eine CAM-Software. Auf diese Weise lassen sich große frei geformte Oberflächen nun bis zu 80 Prozent schneller bearbeiten.

Ziel im Projekt »FlexiMILL« war es, für die Bearbeitung mit Tonnenfräswerkzeugen nicht nur neue, verbesserte Werkzeuggeometrien zu entwickeln, sondern auch...

Im Focus: Bis zu 30 Prozent mehr Kapazität für Lithium-Ionen-Akkus

Durch Untersuchungen struktureller Veränderungen während der Synthese von Kathodenmaterialen für zukünftige Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkus haben Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und kooperierender Einrichtungen neue und wesentliche Erkenntnisse über Degradationsmechanismen gewonnen. Diese könnten zur Entwicklung von Akkus mit deutlich erhöhter Kapazität beitragen, die etwa bei Elektrofahrzeugen eine größere Reichweite möglich machen. Über die Ergebnisse berichtet das Team in der Zeitschrift Nature Communications. (DOI 10.1038/s41467-019-13240-z)

Ein Durchbruch der Elektromobilität wird bislang unter anderem durch ungenügende Reichweiten der Fahrzeuge behindert. Helfen könnten Lithium-Ionen-Akkus mit...

Im Focus: Neue Klimadaten dank kompaktem Alexandritlaser

Höhere Atmosphärenschichten werden für Klimaforscher immer interessanter. Bereiche oberhalb von 40 km sind allerdings nur mit Höhenforschungsraketen direkt zugänglich. Ein LIDAR-System (Light Detection and Ranging) mit einem diodengepumpten Alexandritlaser schafft jetzt neue Möglichkeiten. Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Atmosphärenphysik (IAP) und des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT entwickeln ein System, das leicht zu transportieren ist und autark arbeitet. Damit kann in Zukunft ein LIDAR-Netzwerk kontinuierlich und weiträumig Daten aus der Atmosphäre liefern.

Der Klimawandel ist in diesen Tagen ein heißes Thema. Eine wichtige wissenschaftliche Grundlage zum Verständnis der Phänomene sind valide Modelle zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

QURATOR 2020 – weltweit erste Konferenz für Kuratierungstechnologien

04.12.2019 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Arbeit

03.12.2019 | Veranstaltungen

Intelligente Transportbehälter als Basis für neue Services der Intralogistik

03.12.2019 | Veranstaltungen

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

RNA-Modifikation - Umbau unter Druck

06.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

Der Versteppung vorbeugen

06.12.2019 | Geowissenschaften

Verstopfung in Abwehrzellen löst Entzündung aus

06.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

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