Konrad Schmidt

Wissenschaftlicher Mitarbeiter
HZDR-High-Potential Fellow

Experimentelle Nukleare Astrophysik

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Über mich

Ich bin wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Nukleare Astrophysik, der Abteilung Kernphysik, am Institut für Strahlenphysik des HZDR, koordiniere im Rahmen der Starting Communitiy ChETEC-INFRA (Chemical Elements as Tracers of the Evolution of the Cosmos - INFRAstructures for Nuclear Astrophysics) den internationalen Zugang zu 13 Parnereinrichtungen, organisiere eine Serie monatlicher Onlineschulen für die nukleare Astrophysik genannt SNAQs (Schools on Nuclear Astrophysics Questions) und bin mit dem Joint Institute for Nuclear Astrophysics - Center for the Evolution of the Elements (JINA-CEE) assoziiert.

Meine Forschung richtet sich auf Experimente zum Verständnis der Prozesse zur Entstehung der chemischen Elemente. Insbesondere bin ich interessiert an Kernreaktionen im Inneren der Sonne und in schwereren Sternen, unmittelbar nach dem Urknall und im Zusammenhang mit explodierenden Sternen, wie sogenannte Supernovae, Röntgenstrahl-Blitze und andere Szenarien. Mein Feld ist die experimentelle nukleare Astrophysik, wo ich Reaktionswahrscheinlichkeiten mit niederenergetischen Kernphysikexperimenten untersuche.

CV Publikationen auf Publons / Web of Science

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Forschung

Im Zusammenhang mit dem Urknall

In den ersten drei Minuten unseres Universums entstanden die ersten drei Elemente: Wasserstoff, Helium und Lithium. Dabei spielten Fusionsreaktionen die entscheidende Rolle, wie z. B. die Kernreaktion von Helium-3 und Helium-4 zu Beryllium-7. Für die Messung der Reaktionsahrscheinlichkeiten nutzen wir einen neuen Teilchenbeschleuniger im Untertagelabor Dresden Felsenkeller. Mit dessen Hilfe können Heliumionen auf astrophysikalisch interessante Energien beschleunigt werden und treffen dann auf Heliumatome, die entweder in einem Tantalplättchen implantiert sind, als Gasstrahl senkrecht durch den Ionenstrahl geschossen werden oder sich in einem fensterlosen Gastank befinden. Dabei interessieren mich vor allem die Wahrscheinlichkeiten, mit welcher diese Reaktionen ablaufen, da diese für Reaktionsnetzwerke benötigt werden, in denen die Standardvorhersagen für die Häufigkeiten dieser ersten chemischen Elementen getroffen werden. Diese Häufigkeiten aus der Standardurknallnukleosynthese lassen sich dann sehr gut mit anderen Vorhersagen vergleichen, die z. B. aus den Messdaten des Mikrowellenhintergrunds oder aus den Spektrallinien sehr alter Sterne prognostiziert werden.

Im Zusammenhang mit der Sonne

Die Reaktion von Helium-3 und Helium-4 zu Beryllium-7 ist ebenfalls eine wichtige Reaktion im Inneren der Sonne. Die dort stattfindenden Fusionsreaktionen, hauptsächlich das Wasserstoffbrennen der Proton-Proton-Ketten und zu einem sehr geringen Anteil auch der Bethe-Weizsäcker-Zyklus, tragen zur Energieproduktion bei. Auch wenn wir die nötigen niedrigen Energien wohl nicht direkt mit Hilfe des Teilchenbeschleunigers im Dresden Felsenkeller messen können, gewinnen wir durch die Untersuchung wichtiger Reaktionen doch einen Einblick über die Häufigkeiten der leichten Elemente bis hin zu Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Von besonderem Interesse für mich sind dabei auch die Reaktionen, bei denen Neutrinos entstehen, da mit Hilfe von Detektoren wie z. B. Borexino der Fluss dieser solaren CNO-Neutrinos gemessen werden kann. Damit hat die Wissenschaft neben der Heliuoseismologie und der Analyse der solaren Spektrallinien ein weiteres Mittel, um die Sonne zu beobachten: Neutrinos aus dem Inneren der Sonne, welche bei Kernreaktionen entstehen.

Im Zusammenhang mit massereichen, explodierenden Sternen

Titan-44 ist ein radioaktives Isotop des 22. Elements im Periodensystem. Es entsteht in Supernovae und kann in ihren Überresten, wie z. B. Kassiopeia A, detektiert werden. Mit der Hilfe von satellitengestützten Gammastrahlenspektrometern kann das Titan zusammen mit radioaktivem Eisen, Silizium, Magnesium und anderen beobachtet werden.

Mit einer Halbwertszeit des Titan-44 von circa 60 Jahren und einer Rate von zwei bis drei Supernovae je Jahrhundert, werden mehrere Supernova-Überreste erwartet, die eine Titansignatur zeigen. Jedoch, zur Überraschung von Astrophysikern, wurde bisher Strahlung vom Zerfall von Titan-44 nur von einem Supernova-Überrest in der Milchstraße gefunden, Cassiopeia A. Mehrere andere Überreste von jüngst untersuchten Supernovae zeigten nicht die erwartete Emission. Dieser Widerspruch führt zu einem spannenden Problem in der Astrophysik.

Um zu überprüfen ob derzeitig anerkannte Supernova-Modelle korrekt sind, müssen Kernreaktionsraten bestimmt werden. Speziell dafür vorgesehene Sensibilitätsstudien haben gezeigt, dass die Reaktionsrate von Helium-4 mit Calcium-40 eine der wichtigsten Parameter dieser Modelle ist.

Bei dieser Reaktion interessiere ich mich für die Vermessung einzelner Resonanzen. Dafür werden stabile, hochintensive, niederenergetische Ionenstrahlen durch das 3-MV Tandetron des Ionenstrahlzentrums (IBC) am Hauptstandort des HZDR, durch die Plattform AIFIRA (Applications Interdisciplinaires des Faisceaux d’Ions en Région Aquitaine) am Centre Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan (CENBG), Frankreich, und durch den neuen unterirdischen Teilchenbeschleuniger Dresden Felsenkeller bereitgestellt. Diese Ionenstrahlen werden dann auf dünne Calciumscheiben gelenkt, die am GSI Targetlabor und am Institut für Kernforschung (ATOMKI) der Ungarischen Akademie der Wissenschafen (MTA) hergestellt wurden. Damit können dann die Resonanzstärken mit Methoden der Gammaspektroskopie bestimmt werden, einerseits durch die Messung der prompten Gammastrahlen, die emittiert werden, während der Heliumionenstrahl auf das Calcium trifft und und andererseits nach der Bestrahlung durch die Bestimmung der Aktivität in Niederniveaumessplätzen im Dresden Felsenkeller, wobei letztere Methode zukünftig durch Beschleuniger-Massenspektrometrie ergänzt werden soll.

Im Zusammenhang mit explodierenden Doppelsternen

Wenn ein Neutronenstern die äußere Hülle eines Partnersterns akkretiert, sammelt sich das Material, größtenteils Wasserstoff und Helium, auf der Oberfläche des Neutronensterns an, was schließlich zu einer thermonuklearen Zündung führt. Das explosive Brennen der akkretierten Schicht wird als Röntgenstrahl-Blitz beobachtet. Die Explosion zerreißt die Akkretionsscheibe aber lässt den Neutronenstern relativ unversehrt, sodass der Prozess sich von selbst innerhalb von Wochen, Tagen oder sogar Stunden wiederholen kann.

Während der thermonuklearen Explosion werden Temperaturen von mehr als eine Milliarden Kelvin erreicht, die einige Reaktionsketten auslösen, wie den Drei-Alpha-Prozess, den heißen Bethe-Weizsäcker-Zyklus, der in den Alpha-Proton-Prozess ausbricht, welcher wiederum zum Schnellen Protoneneinfang-Prozess führt.

Damit in Verbindung stehende, zuvor unzugängliche Reaktionen können mit dem Jet Experiments in Nuclear Structure and Astrophysics (JENSA) Gasstrahlsystem am National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) auf dem Campus der Michigan State University (MSU) untersucht werden. JENSA ist eine institutionenübergreifende Kooperation, die vom Oak Ridge National Laboratory (ORNL) angeführt wird.

Wird JENSA alleinstehend betrieben, ermöglicht es Reaktionen zu untersuchen, die geladene Teilchen emittieren, wie z. B. Alpha-Proton-Reaktionen. Außerdem ist JENSA als Hauptziel des Rückstoßkernabscheiders für Einfangreaktionen, SECAR, an der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) geplant. In dieser Konfiguration wird es JENSA ermöglichen, Protonen- und Alpha-Einfangreaktionen zu studieren und damit auf das Verständnis von explodierenden Doppelsterne abzielen.

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Lehre

Sommeremester 2023

• Lesender der Vorlesung Nukleare Astrophysik

Sommeremester 2022

• Lesender der Vorlesung Nukleare Astrophysik

Sommeremester 2021

• Lesender der Vorlesung Nukleare Astrophysik

Sommeremester 2020

• Lesender der Vorlesung Nukleare Astrophysik zusammen mit Prof. K. Zuber

Wintersemester 2019/20

• Seminarleiiter im Proseminar Experimentelle Kern- und Teilchenphysik
• Seminarleiter im Hauptseminar Neuste Erkenntnisse in der nuclearen Astrophysik und darüber hinaus
• Betreuer im Fortgeschrittenenpraktikum Transmission thermischer Neutronen (TR)

Sommersemester 2019

• Lesender der Vorlesung Nukleare Astrophysik zusammen mit Prof. K. Zuber
• Übungsleiter zur Vorlesung Nukleare Astrophysik
• Übungsleiter zur Vorlesung Moderne Kosmologie von Prof. Dr. B. Kämpfer und PD Dr. D. Bemmerer
• Seminarleiter im Proseminar Experimentelle Kern- und Teilchenphysik
• Betreuer im Fortgeschrittenenpraktikum Transmission thermischer Neutronen (TR)

Wintersemester 2018/19

• Betreuer im Fortgeschrittenenpraktikum Transmission thermischer Neutronen (TR)

Sommersemester 2013

• Betreuer im Grundpraktikum Aktivitätsbestimmung (AK)

Sommersemester 2012

• Übungsleiter zur Vorlesung Kosmologie und Astroteilchenphysik von Prof. Dr. B. Kämpfer und PD Dr. D. Bemmerer

Sommersemester 2011

• Übungsleiter zur Vorlesung Kosmologie und Astroteilchenphysik von Prof. Dr. B. Kämpfer und Dr. D. Bemmerer

Wintersemester 2007/08

• Übungsleiter zur Vorlesung Mathematik I (Verkehrsingenieurwesen) von Prof. Dr. M. Ludwig

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Kontaktieren Sie mich

	Dr. Konrad Schmidt
➢	Abteilung Kernphysik Institut für Strahlenphysik Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) Bautzner Landstr. 400 01328 Dresden
☏	0351 260 3581 (Rossendorf) 0351 260 3900 (Felsenkeller)
✉	konrad.schmidthzdr.de