Die Nuklidkarte ist für die Kernphysik von ähnlicher Bedeutung wie das Periodensystem der Elemente für die Chemie. Auf der Nuklidkarte lassen sich alle bekannten Atomsorten (Nuklide) und Isotope grafisch darstellen. Isotope sind Atome mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Bei der Kernspaltung wird ein Atomkern meist in zwei Fragmente gespalten. Haben die Bruchstücke unterschiedliche Masse, spricht man von asymmetrischer Spaltung. Die Kooperationen „Reaktionen mit relativistischen radioaktiven Strahlen“ und „Studien zur Kernspaltung mit GLAD“ (kurz R3B/SOFIA) entdeckten und kartierten eine neue Insel asymmetrischer Kernspaltung für Atomkerne, die leichter als Blei sind. Das Fachjournal Nature hat die Ergebnisse veröffentlicht.
Elemententstehung im Universum nachstellen
Die Vielfalt der Elemente im Universum entsteht durch verschiedene Mechanismen. Wesentlich für die Bildung der schweren Elemente ist der r-Prozess: der schnelle (engl. rapid) Neutroneneinfang durch Atomkerne. Dort erzeugen Kernkollaps-Supernovae die notwendigen hohen Neutronendichten, sodass Atomkerne schnell Neutronen einfangen und somit schwere Elemente bilden können. Die neu entstandenen Isotope sind meist instabil und entwickeln sich durch radioaktiven Zerfall oder spontane Kernspaltung weiter.
Auf der Erde lässt sich die Entstehung schwerer Elemente in Laborexperimenten nachstellen. So ermöglicht das GSI/FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) in Darmstadt Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen, Spaltungseigenschaften unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen.
Ein internationales Team, darunter Forscher der Technischen Universität München, untersuchte die Spaltungseigenschaften von 100 verschiedenen, neutronenarmen exotischen Isotopen von Iridium (mit Protonenzahl Z = 77) bis Thorium (Z = 90). Isotope mit niedrigem Neutronen-zu-Protonen-Verhältnis lassen sich durch die Fragmentierung eines relativistischen Uranium-238-Primärstrahls mit 87,6 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erzeugen. Der GSI-Fragmentseparator (FRS) ermöglicht es anschließend die Isotope zu trennen und zu identifizieren. Durch die Ausrichtung der Isotope auf ein segmentiertes Bleitarget im R3B-Aufbau und die Anregung auf einige Megaelektronenvolt über ihre Grundzustandsenergie, lässt sich die Spaltung in zwei leichtere Fragmente gezielt auslösen. Die Doppel-Ionisationskammer TWIN-MUSIC ermöglicht danach die Messung der Ladungen beider Spaltprodukte. Zusätzlich sortiert der große supraleitende Dipolmagnet GLAD am R3B die Spaltfragmente nach ihrem Impuls-Ladungs-Verhältnis. Mit großflächigen Detektoranordnungen konnten die Forscherinnen und Forscher die Spaltprodukte aufzeichnen, ihre Flugzeiten messen und daraus die Reaktionsdynamik rekonstruieren.
Neues Verständnis der terrestrischen und kosmischen Kernspaltung
Während des zehntägigen Experiments sammelte das Team mehrere Terabyte an Daten. Sie deuten auf einen Übergang zu zunehmend asymmetrischer Spaltung in neutronenarmen schweren Kernen hin. Dies markiert die Entdeckung einer neuen Insel asymmetrischer Spaltung in der Nuklidkarte, die durch eine überraschende Dominanz leichter Spaltfragmente mit der Ordnungszahl Z = 36 – die Protonenzahl von Krypton – gekennzeichnet ist. „Über die Kartierung dieses neuen Phänomens hinaus erweitern unsere Erkenntnisse unser Verständnis terrestrischer und kosmischer Spaltprozesse“, erklärt Erstautor Pierre Morfouace vom CEA/DAM/DIF und der Université Paris-Saclay.
Darüber hinaus liefern die Ergebnisse wertvolle Vergleichspunkte für theoretische Modelle und verbessern damit deren Vorhersagekraft für die Verteilung von Spaltfragmenten in neutronenreichen Systemen erheblich. Dies ist relevant für Anwendungen in der Kernenergie und für die r-Prozess-Nukleosynthese im Kosmos. „Das ist ein großer Fortschritt für unser Verständnis des erwarteten Spaltungsrecyclings bei Supernova-Explosionen, die die Elementproduktion in unserer Galaxie antreiben“, sagt ORIGINS-Forscher Roman Gernhäuser von der TUM und technischer Koordinator des R3B-Experiments.
Die nächsten Schritte
Diese Entdeckung ist der erste Schritt der Bestimmung einer neu beobachteten Region in der Nuklidkarte, in der die asymmetrische Kernspaltung dominiert. Die Forschenden planen weitere Folgeexperimenten bei FAIR, das im Rahmen der „Early Science“-Kampagne seinen Betrieb bald aufnehmen wird. Herzstück der Anlage wird der neue supraleitende Fragmentseparator (Super-FRS) sein, der eine wesentliche Weiterentwicklung und Nachfolger des derzeit in Betrieb befindlichen FRS ist. Der Super-FRS soll die Auswahl und Bereitstellung von noch selteneren und exotischeren Isotopen ermöglichen. Die Forschenden erhoffen sich davon die neue Insel der asymmetrischen Spaltung detaillierter zu kartieren und grundlegende Aspekte der Kernmaterie unter extremen Bedingungen aufzudecken.
Publikation
- P. Morfouace et al., „An asymmetric fission island driven by shell effects in light fragments“, Nature 2025
Link: https://www.nature.com/articles/s41586-025-08882-7,
DOI: 10.1038/s41586-025-08882-7
Mehr Informationen und Links
- ORIGINS https://www.origins-cluster.de
- ORIGINS Principle Investigator Dr. Roman Gernhäuser
Kontakt
Dr. Roman Gernhäuser
TUM School of Natural Sciences E62 / ORIGINS Exzellenzcluster
roman.gernhaeuser@ph.tum.de
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Original-Pressemeldung: https://www.origins-cluster.de/aktuelles/cluster-news/detail?tx_news_pi1%5Bnews%5D=667&cHash=704f3b9af6b038022e3061ef150a9db1
