Das bescheidene Neutron wird mächtiger als je zuvor

Jun 04, 2023

Neutronen haben ein enormes Potenzial, die Wissenschaft in verschiedenen Bereichen voranzubringen.

Um die für wissenschaftliche Experimente benötigten freien Neutronen zu erzeugen, wird in Schweden eine neue Anlage gebaut.

Die Einrichtung wird zur Untersuchung von Fragestellungen in Bereichen wie Bildgebung, Materialwissenschaften und der Erforschung von Antimaterie genutzt.

Neutronen sind so etwas wie ein unbesungener Held in der Quantenwelt. Sie sind nicht geladen, sie flitzen nicht herum und wir zählen sie nicht einmal in Atomzahlen, obwohl sie einen erheblichen Teil der Masse eines Atoms ausmachen.

Aber sie sind absolut kritisch. Ohne sie gäbe es nichts. Neutronen ermöglichen es Protonen, die sich normalerweise gegenseitig abstoßen würden, sich in einem Kern zu bündeln und ein Atom zu bilden, aus dem so ziemlich alles andere besteht. (Außer in Wasserstoff – ein Proton braucht kein Neutron, um dem entgegenzuwirken.)

Neutronen sind nicht nur wichtig, sondern auch nützlich. So nützlich und in der Tat so umfassend, dass derzeit in Schweden eine ganze Forschungseinrichtung namens European Spallation Source (ESS) im Bau ist. Ziel ist es herauszufinden, wie viel Nutzen wir aus Neutronen ziehen können, indem wir einen Teilchenstrahl erzeugen, der für verschiedene wissenschaftliche Zwecke verwendet werden kann.

Der ESS trägt einen beschreibenden Namen, da der Schlüssel zur Verwendung von Neutronen in vielen wissenschaftlichen Bereichen ein Prozess namens Spallation ist. Dabei werden die Atomkerne mit hochenergetischen Teilchen beschossen, sodass das Atom destabilisiert wird und ein Teil der Neutronen abfliegt und frei wird. Freie Neutronen entstehen auch durch Wechselwirkungen zwischen kosmischer Strahlung und unserer Atmosphäre sowie durch einen Teil der natürlichen Radioaktivität der Erde.

Sobald die Neutronen frei sind, welche wissenschaftlichen Unternehmungen stehen hier auf dem Tisch?

Nun, es hängt davon ab, welches Instrument Sie verwenden möchten. Wenn die ESS in Betrieb genommen wird, wird sie zunächst 15 neutronenbasierte Instrumente beherbergen – viele davon haben sehr gute Namen wie ODIN, BEER, T-REX und BIFROST –, die jeweils für den Einsatz eingerichtet werden von Neutronen auf seine eigene Weise.

Ein Instrument wird beispielsweise an der Bildgebung arbeiten – nicht gerade schicke Röntgenstrahlen, aber nah genug dran. Fokussieren Sie einen Strahl freier Neutronen richtig, und Sie können direkt durch ein Objekt hindurchsehen. An sich ist das nicht revolutionär, aber die Natur der Neutronen bedeutet, dass man andere Dinge sehen kann, als man es mit einem Röntgenstrahl sehen könnte. Und darüber hinaus kann die Abbildung oft ohne Beschädigung des Objekts erfolgen – entscheidend für die Untersuchung von Dingen wie sehr empfindlichen alten Schriftrollen.

Mit einem weiteren Instrument sollen reale Zeitrafferaufnahmen der Auswirkungen freier Neutronen auf Objekte erstellt werden, die durch wiederholte Einwirkung dieser Partikel beschädigt werden können. Wir wissen, dass freie Neutronen dazu führen können, dass sich elektrische Komponenten im Laufe der Zeit verschlechtern. Durch die Möglichkeit, die langfristigen Auswirkungen dieser Exposition in einem Labor zu testen, können Hersteller lernen, wie sie neutronenbeständigere Komponenten herstellen können.

Und – möglicherweise am aufregendsten – einige Jahre nach der Eröffnung der ESS, wenn sie noch weiter verbessert wurde, wird die Anlage damit beginnen, nach dem Moment zu suchen, in dem ein Neutron von Materie in Antimaterie übergeht.

„Wenn man so etwas beobachtet“, sagte Valentina Santoro, Teilchenphysikerin am ESS, in einer Pressemitteilung, „kann man eines der größten ungelösten Rätsel verstehen: Warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt.“

„Man braucht nur ein Neutron, das zu einem Antineutron wird, und das ist alles. Sie haben diesen Prozess gefunden, bei dem Materie zu Antimaterie wird“, fügte Santoro hinzu.

Wir haben noch eine Weile Zeit, bis die ESS ihre Arbeit aufnehmen kann – die Anlage soll 2027 ans Netz gehen, und die Antimaterie-Experimente sollen erst danach beginnen. Aber sobald es betriebsbereit ist, sollten Sie aufpassen. Das Neutron wird uns nun genau zeigen, warum es nicht unterschätzt werden sollte.

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