Erzeugung ultrakalter Neutronen gelungen

Weltweite Vorreiterposition des Mainzer Forschungsreaktors

01.02.2006

Am Forschungsreaktor der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist erstmals die Erzeugung ultrakalter Neutronen gelungen. Das Experiment hat weltweit Beachtung gefunden und die beteiligten Wissenschaftler aus Mainz und München haben nun beim Wettlauf um die Produktion einer größeren Menge ultrakalter Neutronen die Nase vorn. Es ist das erste Mal, dass an einem gepulsten Reaktor ultrakalte Neutronen erzeugt wurden. Dieser Erfolg schafft die Voraussetzungen dafür, die Teilchen eingehend untersuchen zu können und damit Erkenntnisse über den Ursprung von Materie und Antimaterie zu gewinnen.

"Wir haben ein Jahr gebraucht, jetzt hat es geklappt", so Prof. Dr. Jens Volker Kratz vom Institut für Kernchemie der Universität Mainz zu dem erfolgreichen Experiment, bei dem am 11. Januar 2006 erstmals ultrakalte Neutronen erzeugt wurden. "Damit nehmen wir eine Vorreiterposition ein und haben plötzlich ganz neue Forschungsperspektiven", kommentiert Prof. Dr. Werner Heil vom Institut für Physik das Ereignis, das in internationalen Fachkreisen bereits für Aufsehen gesorgt hat. Die Arbeiten der Mainzer Wissenschaftler zur Herstellung ultrakalter Neutronen erfolgen in enger Zusammenarbeit mit dem Physik-Department E18 der TU München.

Neutronen sind Elementarteilchen, die normalerweise im Atomkern gebunden sind. Sie sind nach außen neutral, weisen aber im Inneren möglicherweise eine asymmetrisch verteilte Ladung auf, was zu einem elektrischen Dipol führen würde. Für die Forschung werden freie Neutronen v.a. in Kernreaktoren erzeugt, so auch im Mainzer Reaktor TRIGA. Zur Herstellung von ultrakalten Neutronen werden die im Reaktor produzierten Neutronen mit Hilfe von festem Deuterium, das mit flüssigem Helium auf eine Temperatur von -265ºC heruntergekühlt worden ist, in ihrer Geschwindigkeit so weit gebremst, dass sie gespeichert und beobachtet werden können. "Das Problem ist die Kühlung, weil ein Reaktor im Betrieb Wärme erzeugt", erläutert Heil. "Am TRIGA haben wir den Vorteil, dass der Wärmeeintrag nicht so groß ist."

Der TRIGA ist ein Forschungsreaktor, der vor rd. 40 Jahren an der Universität Mainz in Betrieb gegangen ist. Er ist eine reine Neutronenquelle und nicht für die Stromerzeugung geeignet, weil er im Dauerbetrieb nur eine geringe Leistung erbringt. Allerdings kann der Reaktor gepulst werden und liefert dann kurzzeitig eine sehr hohe Leistung von 250.000 Kilowatt, die für verschiedene Forschungsvorhaben benötig wird. Bei TRIGA-Reaktoren bestehen die Brennelemente aus Zirkonium, Uran und Wasserstoff in Form einer Legierung, wobei Wasserstoff als Moderator die schnellen Neutronen herunterbremst. Im Pulsbetrieb steigt die Temperatur auf über 300ºC und der Moderator kann die Neutronen nicht mehr auf thermische Energie bremsen, so dass der Reaktor sich automatisch abschaltet. "Wir produzieren am TRIGA Mainz in Millisekunden einen hohen Neutronenfluss, ohne dass große Wärme entsteht", so Kratz über den Vorteil des Kernreaktors. Die entstandenen thermischen Neutronen mit einer Geschwindigkeit von 2200 m/s werden in dem Konverter aus festem Deuterium weiter heruntergebremst auf eine Geschwindigkeit von 5 m/s bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.

Zwar haben auch andere Forschungseinrichtungen im Ausland schon ultrakalte Neutronen erzeugt, allerdings nur in kleinen Mengen – ein Problem, an dem nunmehr seit 10 Jahren geforscht wird. Das Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble kommt mit seinem konventionellen Reaktor im Dauerbetrieb auf eine Ausbeute von 30 ultrakalten Neutronen pro Kubikzentimeter. Das Mainzer Experiment soll bis zu 1000 ultrakalte Neutronen pro Kubikzentimeter liefern. "Das bietet uns ganz andere Perspektiven für weitere Forschungen", so Heil. Weltweit wird noch am Paul Scherrer Institut in der Schweiz, in Los Alamos und an einem japanischen Institut an der Herstellung ultrakalter Neutronen gearbeitet, wobei in Los Alamos mit einer anderen Technik auch schon gute Ergebnisse erzielt worden sind. "Wir sind sehr optimistisch, dass eine Erhöhung der Ausbeute um das Zehnfache gegenüber dem vorerst am TRIGA Mainz erzielten Wert von 40.000 Ereignissen pro Puls möglich ist", erklärt Dr. Norbert Trautmann vom Institut für Kernchemie.

Nach der erfolgreichen Herstellung sollen die ultrakalten Neutronen als Nächstes in Gefäßen abgespeichert werden, so dass sie für längere Beobachtungen zur Verfügung stehen. Wissenschaftler der TU München wollen versuchen, die Lebensdauer der Neutronen - ihre Halbwertszeit beträgt in etwa 10 Minuten - so genau wie möglich zu ermitteln. Das Mainzer Team ist hauptsächlich an den Eigenschaften der Neutronen in einem elektrischen Feld, dem sog. elektrischen Dipolmoment, interessiert. Damit könnte es möglich sein, Aussagen über den Ursprung von Materie und Antimaterie zu machen. Gerade diese Messungen waren bislang wegen der zu kleinen Mengen ultrakalter Neutronen limitiert. "Wir beobachten im Universum nur Materie, Antimaterie ist fast nicht vorhanden. Warum dies so ist, dazu könnte das Verständnis des elektrischen Dipolmoments des Neutrons ganz wichtige Informationen liefern", so Heil.