Nukleare Astrophysik

Die Untersuchungen beschäftigen sich mit der p-Prozess Nukleosynthese, die zur Produktion von schweren Atomkernen durch Photodisintegrationsreaktionen in explosiven stellaren Szenarien beiträgt. Bei Temperaturen von 2-3 GK erstreckt sich das thermische Spektrum zu Energien oberhalb der Nukleonenseparationsenergien, so dass Elementumwandlungen statt­finden können. Ein wichtiges Beispiel ist die Produktion der Molybdänisotope, die in allen bisherigen Netzwerkrechnungen unverstanden ist.

Durch Photonenstreuung werden Photonen-Stärkefunktionen bestimmt und mit Modellvorhersagen verglichen. Diese Photonenstärkefunktionen haben Einfluss auf Reaktionsraten bei der Elementsynthese und ihre Kenntnis ist außerdem wichtig für die Bestimmung von Wirkungsquerschnitten von Neutroneneinfangreaktionen, die sowohl bei der Elementsynthese als auch für die Transmutation bestimmter Isotope eine Rolle spielen.

Die Experimente nutzen an der Strahlungsquelle ELBE die Bremsstrahlungsanlage sowie eine Rohrpostanlage für Bestrahlungen in der heißen Zone des Strahlfängers. Die erreichbaren Photonenflüsse und Energien sind so hoch, dass auch Reaktionen mit sub-millibarn Querschnitten untersucht werden können. Der ELBE-Bremsstrahl steht seit November 2002 zur Verfügung, die Anlage wurde danach durch eine Rohrpostvorrichtung (2006) und Einrichtungen zur Messung und Stabilisierung der Strahlenergie ergänzt.

Weiterhin ist die Gruppe an der internationalen LUNA-Kollaboration beteiligt, wo Experimente zum Wasserstoffbrennen in Sternen und zur Urknall-Nukleosynthese durchgeführt werden.

Die Gruppe hat im März 2007 die Europhysics Conference "Nuclear Physics in Astrophysics III" in Dresden ausgerichtet. Mehr als 100 Wissenschaftler aus 25 europäischen Ländern sowie aus Japan, den USA, Kanada und Israel diskutierten über das Wechselspiel zwischen Kernphysik und Astrophysik. Neue astronomische Beobachtungen wurden mit neuen kernphysikalischen Daten zusammengeführt, um zu einem besseren Verständnis des Urknalls und von Sternen zu kommen.

Wesentliche Ergebnisse der Nuklearen Astrophysik am FZD:

In Experimenten mit Bremsstrahlung zur Photonenstreuung und zur Photodesintegration wurden die Dipolstärkefunktion sowie Desintegrationswirkungsquerschnitte bestimmt. Die Dipolstärkefunktionen in einer Reihe von Molybdän-Isotopen und in Isotonen mit abgeschlossener Neutronenschale (N=50) wurden in einem DFG-Projekt untersucht. Es wurden Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen magnetischer Dipolstärke und Kernformisomerie (G. Rusev et al., Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 062501) sowie über die Abhängigkeit der magnetischen Dipolstärke von der Kerndeformation (G. Rusev et al., Phys. Rev. C 73 (2006) 044308) gewonnen und mit Vorhersagen eines weiterentwickelten Kernmodells (F. Dönau, Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 092503) verglichen. Die hohen verfügbaren Elektronenenergien an ELBE in Verbindung mit dem empfindlichen Bremsstrahlungsmessplatz (R. Schwengner et al., Nucl. Instr. Meth. A 555 (2005) 211) erlaubten erstmals die systematische Untersuchung der elektrischen Dipolstärkefunktionen bis zur Riesen-Dipolresonanz. Die hohen Niveaudichten in Atomkernen bei hohen Anregungsenergien erfordern hierbei die Entwicklung neuer Techniken zur Auswertung der Experimente. Mit im FZD entwickelten statistischen Methoden zur Behandlung der Photonenspektren wurden die Dipolstärkefunktionen der an ELBE untersuchten Nuklide erstmals bis zu den Neutronenseparationsenergien korrekt bestimmt. Dadurch wurde der Anschluss an Daten aus Photodesintegrationsreaktionen und die Bestimmung der Dipolstärkefunktionen im Energiebereich um die Separationsenergien möglich. Diese Resultate fanden international großes Interesse, das sich z. B. in acht eingeladenen Vorträgen auf internationalen Konferenzen seit 2005 widerspiegelt. Die komplexen Experiment-Analysen und deren Ergebnisse werden in mehreren Publikationen dargestellt (2007 eingereicht bzw. im Druck).

In Experimenten zur Photodesintegration von p-Prozesskernen (z. B. 92Mo) an ELBE wurden Reaktionen unter Neutronen-, Protonen- und erstmals Alphateilchenemission im astrophysikalisch relevanten Energiebereich untersucht. Unter Verwendung der Rohrpostanlage können Reaktionskanäle, die zu verschieden lang lebenden Kernzuständen (Isomeren) führen, experimentell separiert werden. Die Bestimmung der Photodesintegrationsausbeuten am 92Mo deu­tet darauf hin, dass die Unterproduktion von Molybdän und Ruthenium in den p-Prozess Modellen nicht auf falschen kernphysikalischen Parametern beruht (M. Erhard et al., PoS(NIC-IX) 056). Die Photodesintegration unter Emission von Alphateilchen am 144Sm ist bedeutend geringer als theoretisch berechnet. Dies deutet daraufhin, dass die bisher verwendeten Alphateilchen-Kernpotentiale nicht korrekt bestimmt sind.

Experimente in Dresden

Experimente außerhalb von Dresden

Theorie

  • Quanten-Korrekturen jenseits der Mean-Field-Approximation. Korrelierte Effekte werden im Limit kleiner Amplituden mit Hilfe der Quasiparticle-Random-Phase-Approximation (QRPA) behandelt. Für die Berechnung der Dipol-Stärke in deformierten Kernen wurde ein neuer Ansatz entwickelt, der das Tilted-Axis-Cranking-Model (TAC) und Nilsson-Orbitale benutzt.