Neutronen enttarnen mit NeuLAND

Wie sind sehr neutronenreiche Kerne aufgebaut? Um dieser Frage nachzugehen bauen Forscher am GSI Helmholtz­zentrum für Schwerionenforschung den Neutronendetektor NeuLAND. Die erste Doppelebene des Detektors wurde jetzt erfolgreich getestet. NeuLAND wird im R3B-Experiment am zukünftigen Teilchenbeschleuniger FAIR eingesetzt, mit ihm können die Wissenschaftler mehrere schnelle Neutronen effektiv wie niemals zuvor einer Kernreaktion zuordnen. Das Ziel: Die Element­entstehung in Supernovae entschlüsseln.

3 Meter lang, 2,50 Meter hoch und breit – so groß wird der fertige Detektor NeuLAND sein und enthält dreitausend Messinstrumente. Dabei handelt es sich um Plastik-Szintillatoren, sobald ein Neutron sie durchläuft und mit den Szintillatoren wechselwirkt, erzeugen sie Licht. Die Neutronen stammen aus einer Aufbruch­reaktion: Wenn beschleunigte neutronen­reiche Kerne auf eine Folie prallen, werden sie angeregt und emittieren ein oder mehrere Neutronen. Wissenschaftler wollen diese messen und sehr genau wissen, wie viele Neutronen den Detektor durchlaufen. Denn dadurch erfahren sie mehr über extrem neutronen­reiche Kerne, die bei der natürlichen Erzeugung von Elementen wie Gold oder Blei in Supernovae, das heißt Sternexplosionen, eine entscheidende Rolle spielen. Diese Kerne sollen zukünftig in der neuen FAIR-Beschleuniger­anlage produziert werden. Besonders interessieren sich die Forscher auch für Systeme, die fast ausschließlich aus Neutronen bestehen. Sie müssen künstlich erzeugt werden und existieren nur für einen kurzen Augenblick. Zerfallen sie, gibt ihre Bewegung Informationen über deren spezielle Eigenschaften preis.

Doch Neutronen zu messen ist eine besondere Heraus­forderung für Physiker. Da sie neutral sind, wechselwirken sie kaum mit Materie und huschen quasi unbemerkt durch ein Messinstrument hindurch. „Deshalb ist der NeuLAND-Würfel so groß", erklärt Konstanze Boretzky, Leiterin der Arbeitsgruppe.

„Je mehr Strecke die Neutronen durch Materie zurücklegen, desto eher geben sie sich zu erkennen. Wenn sie NeuLAND durchlaufen, geben sie ihre Energie vollständig ab. Diese Energie der Neutronen ist neben der Zeit des Auftreffens eine wichtige Information", erklärt Boretzky. Aus der Messung der Neutronen auf den ursprünglichen neutronen­reichen Kern zurückzu­schließen, der in der Kernreaktion zerfallen ist geht nur, wenn mehrere Neutronen dicht beieinander auf den Detektor treffen und sich ihre Energien messen und die Treffer so zuordnen lassen."

Derzeit baut Boretzkys Team die fünfte NeuLAND-Doppelebene auf, im September testen die Forscher den zu einem Fünftel fertiggestellten Aufbau im GSI-Strahl. Bis 2017 komplettieren sie dann die dreißig Doppelebenen. Ist NeuLAND einsatzbereit, kommt der Detektor an den Hochenergie-Zweig des Super-Fragment­separators der neuen Teilchen­beschleuniger­anlage FAIR. Maßgeblich beteiligt am Bau ist die NUSTAR-Kollaboration, unter anderem mit der TU Darmstadt, der Universität zu Köln, der Goethe-Universität Frankfurt und dem Petersburg Nuclear Physics Institute.

GSI / CT