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Eine Uhr für das Alter des Universums
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Frankfurt
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30. April 2014

Wie alt ist unser Universum? Diese Frage beantworten Kosmologen in der Regel mit rund 13,7 Milliarden Jahren. Ein Physiker möchte dies aber nun nachmessen. Dazu macht er sich einen Zerfallsprozess zunutze, der im Inneren von Roten Riesensternen abläuft. Um diesen genau zu verstehen und daraus entsprechende Schlüsse ziehen zu können, sind Experimente mit Neutronen nötig.

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Gesucht: Eine unabhängige Bestimmung für das Alter des Universums. Bild: STScI / NASA 

Heutigen Schätzungen nach entstand unser Universum vor 13,7 Milliarden Jahren im sogenannten Urknall. Wie nahe dieser Wert am tatsächlichen Alter des Universums liegt, hängt stark davon ab, ob die zugrunde gelegten Modelle richtig sind. Weil man diese nicht direkt überprüfen kann, hat Prof. René Reifarth von der Universität Frankfurt ein neues Experiment vorgeschlagen, in dem er ein langsam zerfallendes radioaktives Element untersucht, das im Inneren von Sternen entsteht. Der Europäische Forschungsrat (ERC) wird sein Vorhaben in den kommenden fünf Jahren mit einem "Consolidator-Grant" über zwei Millionen Euro fördern.

Für sein Experiment verwendet Reifarth kosmologische Uhren - radioaktive Elemente, die in den Sternen entstehen und deren Halbwertszeit extrem lang ist. Sie zerfallen auf einer Zeitskala, die in etwa dem Alter des Universums entspricht. "Wenn ich zurückrechnen kann, wann die Produktion angefangen hat, weiß ich auch das Alter des Universums."

Ähnliche Versuche hat es zwar schon früher gegeben, aber es stellte sich heraus, dass sie nicht aussagekräftig waren. Die Halbwertszeit der kosmischen Uhren kann nämlich bei der hohen Temperatur in den Sternen extrem verkürzt sein. Der Prozess, den Reifarth ausgewählt hat, spielt sich in sogenannten Roten Riesen ab. In diesen Spätstadien der Sterne stehen freie Neutronen zur Verfügung, die von dem schon vorhandenen Material eingefangen werden.

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Der betrachtete Syntheseprozess beginnt beim Eisen und verläuft über das instabile Krypton-Isotop Kr-85 bis zum schweren Wismut. Am Kr-85 verzweigt sich der Prozess: nur ein Teil der Kerne fängt ein Neutron ein und bildet das langlebige Isotop Rubidium Rb-87, während ein anderer Teil radioaktiv zerfällt. "Wir können die Häufigkeit von Rb-87 nur als kosmische Uhr interpretieren, wenn wir die Produktion verstanden haben. Das ist bisher daran gescheitert, dass wir nicht wissen, wie wahrscheinlich der Neutroneneinfang in Kr-85 ist", so Reifart.

Da Krypton-85 auf der Erde äußerst selten ist, wird Reifarts Arbeitsgruppe am Institut für Angewandte Physik der Goethe-Universität es aus dem stabilen Isotop Selen-82 herstellen. Das geschieht durch den Beschuss mit Alpha-Teilchen an einem Zyklotron der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig, mit der Reifarth kooperiert.

Für die anschließende Bestrahlung mit Neutronen wollen die Physiker die Frankfurter Neutronenquelle FRANZ verwenden. Sie entsteht zurzeit in der Experimentierhalle des Instituts für Angewandte Physik und soll noch in diesem Jahr in Betrieb gehen. Sie wird dann eine der stärksten Neutronenquellen weltweit sein. Bis dahin sind Reifarth und seine Mitarbeiter mit dem Bau eines Gamma-Strahlen-Detektors beschäftigt, der aus den EU-Mitteln finanziert wird.

Messen wollen die Physiker insbesondere die Wahrscheinlichkeit für den Einfang von Neutronen. Dies ist nicht nur ein wichtiger Parameter für kosmologische Modelle, sondern hat auch einen praktischen Nutzen für die Reaktortechnik. Bei der Kernspaltung des Urans entsteht nämlich ebenfalls Krypton. Dieses fängt einen Teil der Neutronen im Reaktor ein, die dann für die Uranspaltung nicht mehr zur Verfügung stehen.

Die "Consolidator Grants" des ERC sollen dem Aufbau und die Etablierung eines unabhängigen exzellenten Forscherteams in einem Zeitraum zwischen sechs und zwölf Jahren nach der Promotion dienen. Ziel ist es, die Kreativität junger, vielversprechender Wissenschaftler zu fördern und so mit neuen Ideen neue Forschungsfelder zu erschließen.

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