Mustapha Laatiaoui erhält ERC Consolidator Grant zur Erforschung superschwerer Elemente

EU-Förderung in Höhe von 2 Millionen Euro für die Entwicklung eines neuen Ansatzes in der optischen Spektroskopie

10.12.2018

Der Physiker Dr. Mustapha Laatiaoui erhält einen Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrats (European Research Council – ERC) in Höhe von 2 Millionen Euro für Arbeiten in der Atom- und Kernphysik. Als erfahrener Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) beschäftigt sich Laatiaoui mit den chemischen und physikalischen Eigenschaften der superschweren Elemente. Er wird die EU-Mittel dafür verwenden, neue Ansätze in der optischen Spektroskopie dieser Elemente zu verfolgen. Damit wird es möglich, bislang völlig unzugängliche Informationen über die superschweren Elemente zu erhalten. Der Consolidator Grant ist eine der höchstdotierten Fördermaßnahmen, die der ERC vergibt.

Informationen über die schwersten Elemente sind nicht breit gestreut. Dies liegt vor allem daran, dass sie schwierig herzustellen, zu beobachten und zu analysieren sind. Das schwerste Element, das man in makroskopischen Mengen synthetisieren kann, ist Fermium mit der Ordnungszahl 100, also mit 100 Protonen im Atomkern. Schwerere Elemente können aktuell nur künstlich in Einzelatommengen mithilfe von Beschleunigeranlagen erzeugt werden. Erschwerend kommt hinzu, dass sie sehr instabil sind und zerfallen, oft schon nach Bruchteilen von Sekunden. Für eine Untersuchung dieser Elemente bleibt also wenig Zeit. Für Physiker aus verschiedenen Bereichen wäre es allerdings interessant, Genaueres über diese Superschwergewichte zu wissen, um ihre Existenz und Struktur besser zu verstehen, zum Beispiel für die Suche nach Spuren der schwereren Elemente, die möglicherweise auch bei der Kollision zweier Neutronensterne im Universum entstehen.

Spektrallinien als Fingerabdruck der Elemente

Welche Elemente im Weltall vorkommen, können Astrophysiker anhand der Beobachtung von Spektrallinien feststellen. "Die Spektrallinien sind wie ein Fingerabdruck. Wir können sie einem Element genau zuordnen", erklärt Laatiaoui. Die Spektrallinien, das sind charakteristische Linien im Lichtspektrum, sind für die meisten Elemente aus Laborexperimenten gut dokumentiert. Vor Kurzem wurden diese sogar erstmals beim Element 102, Nobelium, identifiziert. "Aber darüber hinaus, also ab Lawrencium, wissen wir fast nichts", so Laatiaoui. Superschwere Elemente beginnen per Definition bei mehr als 103 Protonen im Kern. Als bislang schwerstes Element wurde 2005 Oganesson – auf Grund seiner Stellung im Periodensystem vermutlich ein Edelgas – mit 118 Protonen durch den Beschuss von Californium mit Calcium-Ionen erzeugt.

Eine Untersuchung dieser künstlich erzeugten, superschweren Elemente ist mit herkömmlichen Methoden nicht möglich. "Die Laserresonanzionisation, die auch bei Nobelium angewendet wurde, ist aktuell an der Grenze des Machbaren angelangt", erklärt Laatiaoui. Der Physiker hat daher einen neuen Ansatz entwickelt, der einem Paradigmenwechsel in der optischen Spektroskopie gleichkommt. Dazu wird er versuchen, positiv geladene Ionen direkt mit Laserlicht anzuregen, anstatt wie bisher neutrale Atome. "Die Resonanzsuche ist sehr aufwendig. Dazu brauchen wir theoretische Vorhersagen. Je präziser diese die Lage der Spektrallinien vorhersagen, desto einfacher wird es, das richtige Niveau zu treffen", sagt Laatiaoui. Findet er die passende Wellenlänge, verschiebt sich nach erfolgter Anregung das Verhältnis von Ionen im Grundzustand zu Ionen im angeregten metastabilen Zustand. Das kann leicht gemessen werden, weil die Ionen unterschiedlich schnell durch die Apparatur zum Detektor driften.

Laserresonanzchromatographie – ein neuer Ansatz in der optischen Spektroskopie

Die Laserresonanzchromatographie (LRC) wäre somit eine sensitive und effiziente Methode, basierend auf der Anregung der Teilchen und der Analyse ihrer Ankunftszeit am Detektor. Die Spektrallinien können als Bezugspunkt dienen, um Atommodelle für die superschweren Elemente zu verifizieren und zu verbessern. Sie können zudem Aufschluss über die Eigenschaften der Atomkerne geben, beispielsweise über den Kernspin oder das magnetische Moment. Mit dem neu gefundenen "Fingerabdruck" eines Elements könnte auch in astrophysikalischen Daten nach Spuren von superschweren Elementen gesucht werden – und vielleicht würden die Forscher bei der Kollision von Neutronensternen fündig.

ERC Consolidator Grant für herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler

Das Projekt "Laser Resonance Chromatography of Superheavy Metals" (LRC) wird in den kommenden fünf Jahren mit 2 Millionen Euro gefördert. Außerdem hat der Europäische Forschungsrat zwei weitere JGU-Anträge genehmigt: Ein Projekt zur Herstellung vollsynthetischer Impfstoffe von Prof. Dr. Pol Besenius und ein weiteres zur Erforschung der Biosynthese der Kutikula von Käfern mithilfe von Symbionten von Prof. Dr. Martin Kaltenpoth. Mit insgesamt drei ERC Consolidator Grants gehört die JGU zusammen mit der LMU München zu den erfolgreichsten U15-Universitäten.

Der ERC Consolidator Grant ist eine der höchstdotierten Fördermaßnahmen der EU für einzelne Wissenschaftler. Der Europäische Forschungsrat fördert damit herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 7 bis 12 Jahre nach der Promotion, wenn das eigene Forschungsprogramm ausgebaut wird. Zusätzlich zur wissenschaftlichen Exzellenz müssen die Antragsteller den bahnbrechenden Ansatz ihres Projekts und seine Machbarkeit nachweisen, um die Förderung zu erhalten.

Mustapha Laatiaoui, geboren 1977 in Marokko, hat an der TU München Physik studiert und an der LMU München als Doktorand und Postdoc gearbeitet. Weitere Forschungstätigkeiten führten ihn an die TU Darmstadt, das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, die KU Leuven und seit Februar 2018 an die JGU. Dort arbeitet er am Institut für Kernchemie und am HIM. Sein Forschungsschwerpunkt ist die Untersuchung der schwersten Elemente mittels Laserspektroskopie und Ionenmobilitätsspektrometrie.