Mit laserbeschleunigten Protonen die Astrophysik verstehen

Große Mengen von Protonen auf kurzer Strecke in Sekunden­bruch­teilen auf Geschwin­dig­keit bringen – das funktio­niert mit der in den letzten Jahren stark weiter­ent­wickelten Technik der Laser­beschleu­nigung. Einem Forschungs­team des GSI-Helmholtz­zentrums für Schwer­ionen­forschung ist es in Zusammen­arbeit mit dem Lawrence Livermore National Laboratory in den USA geglückt, mit dem GSI-Hoch­leistungs­laser PHELIX beschleunigte Protonen zur Spaltung anderer Kerne einzu­setzen und diese zu analy­sieren. Die Ergeb­nisse könnten unter anderem neue Einblicke in astro­physi­kalische Prozesse ermög­lichen.

Weniger als eine Pikosekunde lang beleuchtet der PHELIX-Laser mit seinem hoch­intensiven Licht­puls eine hauch­dünne Gold­folie. Das reicht, um etwa eine Billion nur leicht an das Gold gebundene Protonen von der Ober­fläche der Rück­seite der Folie hinaus­zu­schleudern und sie auf hohe Energien zu beschleunigen. „So viele Protonen in einer so kurzen Zeit­spanne lassen sich mit herkömm­lichen Beschleu­nigungs­techniken nicht erreichen“, erklärt Pascal Boller, von der in der GSI-Forschungs­abteilung Plasma­physik/PHELIX. „Mit dieser Technik lassen sich daher völlig neue Forschungs­gebiete erschließen, auf die wir vorher keinen Zugriff hatten.“

Dazu gehört unter anderem die Erzeugung von Spaltungs­reaktionen. Zu diesem Zweck lassen die Forscher die frisch erzeugten schnellen Protonen auf Uran-Material­proben prasseln. Uran wurde aufgrund seines großen Reaktions­quer­schnitts und der Verfüg­bar­keit von veröffent­lichten Daten für Bench­marking-Zwecke als Fall­studien­material ausge­wählt. Die Proben müssen dicht an der Protonen­erzeugung stehen, um eine maximale Ausbeute an Reaktionen zu garantieren. Die durch den PHELIX-Laser erzeugten Protonen sind schnell genug, um die Fission der Urankerne in kleinere Spalt­produkte herbei­zuführen, die im Anschluss identi­fiziert und vermessen werden sollen. Allerdings hat der Laser­aufprall unerwünschte Neben­wirkungen: Er erzeugt einen starken elektro­magnetischen Puls und einen Blitz aus Gamma­strahlen, der die empfind­lichen Mess­instru­mente für die diese Detektion stört.

An dieser Stelle kommt den Forschern ein anderes Verfahren zu Hilfe. Zur chemischen Unter­suchung von super­schweren Elementen ist schon länger ein Transport­system im Einsatz, das die gewünschten Teilchen über längere Strecken vom Reaktions­ort zum Detektor bringen kann. Die Reaktions­kammer wird von einem Gas durch­flossen, das – im Fall der Fissions-Experimente – die Spalt­produkte mitnimmt und in nur wenigen Sekunden über kleine Plastik­röhrchen zu den nun mehrere Meter entfernten Mess­appara­turen trans­portiert. So kann Erzeugung und Messung räumlich getrennt und die Störung verhindert werden.

Erstmals gelang es in den Experimenten, die beiden Techniken zu verbinden und dabei verschiedene Caesium-, Xenon- und Iod-Isotope durch die Uran-Fission zu erzeugen, zuverlässig über die Aussendung von Gamma­strahlung zu identi­fi­zieren und ihre kurzen Lebens­dauern zu beobachten. Damit steht nun eine Methodik zur Verfügung, um Spaltungs­reaktionen in hoch­dichter Materie im Plasma­zustand zu unter­suchen. Vergleich­bare Gegeben­heiten finden sich beispiels­weise im Weltall im Inneren von Sternen, Stern­explosionen oder Neutronen­stern­ver­schmelzungen.

„Die Reaktionsvorgänge von Kernen zu verstehen, die im Plasma mitein­ander inter­agieren, kann uns Einblicke in die Nukleo­synthese ermöglichen. Nukleo­synthese-Vorgänge wie s-Prozess oder r-Prozess spielen sich in genau solchen Medien ab“, erläutert Boller. „Welche Rolle Fissions­reaktionen in diesen Prozessen spielen, ist noch nicht im Detail erforscht. Hier können die laser­beschleu­nigten Protonen neue Infor­ma­tionen liefern.“

GSI / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  P. Boller et al.: First on-line detection of radioactive fission isotopes produced by laser-accelerated protons, Sci. Rep. 10, 17183 (2020); DOI: 10.1038/s41598-020-74045-5
• Plasmaphysik/PHELIX , GSI-Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt
• Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, USA

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