Die Entstehung der chemischen Elemente im Universum ist ein faszinierendes Gebiet der Forschung. Am Institut für Kern- und Teilchenphysik (IKTP) der Technischen Universität Dresden wurde vor kurzem eine neue Experimentierstation eröffnet, die sich auf die Ergründung der frühen kosmischen Entwicklung konzentriert. Dies ist besonders relevant, da die Geschichte des Universums vor 13,8 Milliarden Jahren begann und die Details der ersten Minuten nach dem Urknall noch nicht vollständig entschlüsselt sind. Die aktuelle Forschung zielt darauf ab, die Frage zu beantworten: Wie entstand die ersten chemischen Elemente?

Bereits in den ersten Minuten nach dem Urknall fand die primordiale Nukleosynthese statt, ein Prozess, durch den die ersten Atomkerne gebildet wurden. Vor allem Wasserstoff und Helium entstanden, welche zusammen den überwiegenden Teil der sichtbaren Materie im Universum ausmachen. Nach der damaligen Theorie beinhaltete die Nukleosynthese auch kleine Mengen an Lithium und Beryllium. Das Verhältnis der leichten und schweren Elemente hat sich seither kaum verändert, was die Grundlagen der aktuellen astrophysikalischen Modelle beeinflusst.

Neue Experimentierstation am IKTP

Die neue Experimentierstation am IKTP ist ein bedeutender Schritt in der Forschung zur Kernphysik. Die Station, die am DT-Neutronengenerator in Betrieb genommen wurde, ermöglicht es Forschern, zwei kritische Kernreaktionen des Wasserstoffisotops Deuterium zu untersuchen. Diese Reaktionen sind entscheidend für die Entstehung der ersten Elemente im jungen Universum:

  • 2H(2H,n)3He (Deuteriumkerne verschmelzen zu Helium-3 und einem Neutron)
  • 2H(2H,1H)3H (Entstehung von Tritium und einem Proton)

Die Eigenschaften dieser Kernreaktionen sind von zentraler Bedeutung, da sie die Häufigkeit von Deuterium beeinflussen und wertvolle Informationen zur baryonischen Materiedichte des Universums liefern. Der Aufbau und die Inbetriebnahme dieser neuen Strahlführung wurde von Toralf Döring vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf unterstützt, während das Projekt unter der Leitung von Dr. Steffen Turkat an der Professur für Kernphysik des IKTP steht. Erste erfolgreiche Messungen an speziellen Targets wurden Mitte Juni 2026 durchgeführt.

Das Erbe der primordiale Nukleosynthese

Die primordiale Nukleosynthese ist der Zeitraum, der unmittelbar nach dem Urknall begann und nur drei Minuten andauerte. Während dieser kurzen Zeit sanken Temperatur und Dichte, wodurch keine schwereren Atomkerne mehr gebildet werden konnten. Der Hauptfokus lag auf der Erzeugung von Wasserstoff, Helium und teilweise von Lithium, wobei das Verhältnis ungefähr 75 % Wasserstoff und 25 % Helium-4 betrug  berichtet Wikipedia.

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Nachdem die erste Phase der Nukleosynthese abgeschlossen war, begonnen die schwereren Elemente durch stellare Nukleosynthese in den Kernen von Sternen zu entstehen. Diese Gewichtung zwischen den Elementen hält bis heute an. In massereichen Sternen werden durch Kernfusion Wasserstoff und Helium zu schwereren Elementen bis hin zu Eisen umgewandelt. Elemente, die schwerer als Eisen sind, stammen vor allem aus explosiven Prozessen wie Supernovae, die auch die chemischen Bausteine neuer Galaxien, Sterne und Planeten bereitstellen.

Die neue Infrastruktur am IKTP wird nicht nur zur Verbesserung des Verständnisses der primordialen Nukleosynthese beitragen, sondern auch die Quantifizierung der Häufigkeitsverteilung der Elemente in astronomischen Beobachtungen unterstützen, was für die Forschung in der nuklearen Astrophysik von größter Bedeutung ist. Die nächsten Schritte der Experimente sind darauf ausgelegt, die Unsicherheiten der Reaktionsraten in der Deuteriumfusion zu reduzieren, was die Präzision in zukünftigen kosmologischen Modellen erheblich fördern wird.