Künstliche Elemente in der Waagschale

15. Oktober 2010

Text: Roland Wengenmayr

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Brutstätte für schwere Kerne: In der Vakuumkammer erzeugen Physiker schwere Atomkerne, indem sie einen Ionenstrahl auf eine Metallfolie schießen. Anschließend wiegen sie die Atomkerne in einem aufwendigen Verfahren. [weniger]

Brutstätte für schwere Kerne: In der Vakuumkammer erzeugen Physiker schwere Atomkerne, indem sie einen Ionenstrahl auf eine Metallfolie schießen. Anschließend wiegen sie die Atomkerne in einem aufwendigen Verfahren.

© René Reiter

© René Reiter

 Atomkerne wiegen – wozu denn das? Klaus Blaum ist solche Fragen sichtlich gewohnt. Geduldig erklärt der junge Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, warum er für kleinste Objekte die wohl empfindlichsten Waagen baut, die es derzeit gibt. An diesen Präzisionsexperimenten arbeiten knapp 40 Mitarbeiter, hinzu kommen Partner anderer wissenschaftlicher Institutionen. Schnell gerät das Gespräch zu einer Abenteuerreise von winzigen Atomkernen zu großen Fragen der Physik. Es ist erstaunlich, welche Erkenntnisse das Wiegen von Atomkernen bringen kann.

Immer wieder springt Blaum auf und geht zu der großen Nuklidkarte an der Bürowand. In einem breiten Panorama rollt sie die Vielfalt der Atomkerne mit ihren physikalischen Eigenschaften auf. Blaum fährt mit dem Finger über kleine Quadrate. Sie symbolisieren die chemischen Elemente und ihre leichteren oder schwereren Isotope mit abweichenden Neutronenzahlen. Je schwerer ein Element ist, desto weiter rechts findet man es. Ganz rechts, jenseits vom Uran, also dem Element mit der Ordnungszahl 92, beginnt das Reich der schweren und superschweren Elemente. Diese künstlich hergestellten Kerne bleiben nicht stabil – nach einigen millionstel Sekunden oder höchstenswenigen Sekunden zerfallen sie.

Element 118 haben die Physiker inzwischen schon erreicht, offiziell bestätigt hat die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) sie allerdings erst bis Element 112. Hinter diesen Elementen läuft die Karte in unbekanntes Terrain aus. Irgendwo bei Element 120 vermuten Physiker schon lange eine Insel der Stabilität. „Die Kerne dort könnten Jahre leben“, erläutert Blaum. Subtile Quanteneffekte sollen den stabilisierenden Kernkitt auf dieser Insel bilden, zu der es auch den Max-Planck-Forscher mächtig zieht. Es geht ihm aber nicht um physikalische Gewichtsrekorde, sondern darum, wie Atome als Materiebausteine entstehen.

„Die Frage, wie die Welt entstanden ist, finde ich besonders spannend“, sagt Blaum und landet bei der Astrophysik. Schließlich erbrüten Sterne nahezu alle atomaren Materiebausteine jenseits von Wasserstoff und Helium. Besonders fasziniert den Wissenschaftler die Nukleosynthese von schweren chemischen Elementen. Diese entstehen nur unter den extremen Bedingungen, die während eines besonders dramatischen Sterntods herrschen – einer Supernova.

Die Astrophysik hält noch weitere Probleme bereit, deren Lösungen Klaus Blaum näherkommen will, indem er Atomkerne wiegt. Fundamental ist die Frage, welche Masse Neutrinos, die allgegenwärtigen, alles durchdringenden Geisterteilchen der Physik, besitzen. Die Antwort würde unter anderem ein wichtiges Puzzleteil zum ungelösten Rätsel um die Dunkle Materie im Kosmos liefern. Wie alle schlau erdachten Präzisionsexperimente nützt eine Waage für Atomkerne also gleich auf mehreren Gebieten der Grundlagenforschung. Aber wie sieht so eine Extremwaage aus, wie funktioniert sie? Das will Blaum beim GSI Helmholtzzentrum für Schwer­ionenforschung in Darmstadt zeigen.