Kernstrukturphysik
Die chemischen Elemente sind die Bausteine unserer Welt und die Grundlage für die Entstehung des Lebens. Wie ist es zur Vielfalt der Elemente gekommen? Welche Prozesse spielten hierbei eine Rolle?
Die Beantwortung dieser Fragen ist eines der zentralen Anliegen der modernen Kern- und Astrophysik und bildet auch bei FAIR einen der Forschungsschwerpunkte.
Wir wissen, dass die chemischen Elemente über Kernreaktionen im Inneren von Sternen und in Sternexplosionen gebildet werden. Im Verlauf dieses als Elementsynthese bezeichneten Prozesses entsteht eine Vielzahl von Kernsorten - so genannte Isotope. Die meisten sind instabil und wandeln sich über Zwischenschritte in stabile Kerne um.
Mit Fusion bis zum Eisen
Die Elemente bis zum Eisen entstehen im Inneren von Sternen durch Fusionsreaktionen. Dabei werden, angefangen mit der Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium, immer größere Kerne und damit schwerere Elemente gebildet. Dieser Prozess setzt Energie frei. Deshalb leuchten die Sterne und spenden uns Wärme. Beim Element Eisen kommt die Fusion zum Stillstand, weil bei der Verschmelzung zu noch schwereren Kernen Energie benötigt würde.
Über Umwege zum Uran
Die Kerne, die schwerer als Eisen sind, entstehen am Ende der Ära großer Sterne in so genannten Roten Riesen und in gewaltigen Supernova-Explosionen. Allen dabei auftretenden Produktionspfaden ist gemeinsam, dass sie über den Umweg radioaktiver Kerne zu den stabilen schweren Kernen führen. Wir verdanken die Vielfalt der Stoffe auf der Erde - und damit auch unsere Existenz - also einer Vielzahl von radioaktiven Kernen und Kernreaktionen, die als Zwischenschritte in der Nukleosynthese durchlaufen wurden.
Bisher haben wir nur ein qualitatives Verständnis der Nukleosynthese, die detaillierten Abläufe sind noch weitgehend ungeklärt. An der neuen Anlage können die Wissenschaftler die Kerne, die als radioaktive Zwischenglieder auf dem Weg zu den stabilen Isotopen auftreten, künstlich herstellen und untersuchen. Auf diese Weise lassen sich im Laborexperiment die verschlungenen Pfade der Nukleosynthese nachzeichnen. Dies eröffnet uns faszinierende neue Erkenntnisse über den Ursprung der Elemente - und damit unserer eigenen Existenz.
In der Nuklidkarte sind alle Atomkerne, die im Universum existieren können - vermutlich über 6.000 - sortiert nach der Anzahl der Protonen und Neutronen aufgetragen. Die schwarzen Kästchen markieren die stabilen Isotope (annähernd 300), die gelben Kästchen die bekannten instabilen Kerne (etwa 2.500) und die grünen die noch unbekannten instabilen Kerne (über 3.500). Die Pfeile geben verschiedene Produktionspfade der Nukleosynthese an. Die Fusion bringt die Kerne bis zum Eisen hervor. Die wichtigsten Produktionspfade zur Bildung schwerer Kerne sind der langsame (slow) Neutroneneinfang (s-Prozess) und der schnelle (rapid) Neutroneneinfang (r-Prozess). Außerdem gibt es noch andere Prozesse, die zu den protonenreichen schweren Kernen führen. Einer davon ist der schnelle Protoneneinfang (rp-Prozess). Der rp-Prozess und der r-Prozess laufen durch Gebiete weitab der stabilen Isotope und sollen an der geplanten Anlage systematisch erforscht werden.