Weizmann-Institute of Science (Israel): Der Materie der ersten Materie auf der Spur.

Wissenschaftler, die neugierig auf die Anfänge des Universums sind – wie sich beispielsweise die allererste Materie gebildet hat – können nur davon träumen, in Zeitmaschinen zu gelangen und rund 13 Milliarden Jahre zurück zu reisen.

Das Nächstbeste ist der Versuch, die Bedingungen nachzubilden, die vielleicht schon in den Anfängen des Universums, kurz nach dem Urknall, bestanden haben. Genau das macht Prof. Daniel Zajfman in seinem Labor in der Abteilung Teilchenphysik und Astrophysik am Weizmann Institut für Wissenschaft.

Vor etwa fünfzehn Jahren hatte Prof. Zajfman dem Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg die Idee eines “kryogenen Speicherrings” (CSR) vorgeschlagen.

Diese Anlage, kurz “der Ring” genannt, sollte 35 Meter lang sein, und das Budget für den Bau betrug rund zehn Millionen Dollar. Das ehrgeizige Design des Rings war ein gigantisches Gerät zum Einfangen von Molekülionen mit Hilfe elektrostatischer Felder.

Kleine Molekülionen, wie sie beim Urknall zusammenkommen, werden im Ring gefangen und auf extrem kalte Temperaturen abgekühlt, d.h. auf das niedrigste Energieniveau gebracht, in dem Moleküle existieren können und in dem die Bewegungen der normalerweise schwingenden und rotierenden Molekülionen nahezu zum Stillstand kommen.

Wenn auf diese Weise eingefrorene Molekülionen langsamer werden, lassen sie sich viel leichter untersuchen. Und aus dem Verhalten einiger weniger Ionen in einem Kühlring kann man etwas über die Prozesse lernen, die zur ersten Stern- und Galaxienbildung geführt haben.

Schon bald nach dem Baubeginn des Rings wurde Prof. Zajfman zum Präsidenten des Weizmann-Instituts der Wissenschaften gewählt, eine Aufgabe, die ihn von der Gruppe in Heidelberg wegführte.

Doch in seinem Labor in Rehovot hatte er bereits ein kleineres, nur 50 Zentimeter langes und mehrere tausend Dollar teures Gerät, das er zusammen mit Dr. Oded Heber und anderen Mitgliedern seiner Gruppe gebaut hatte. Das kleine Gerät arbeitet mit Spiegeln – zwei davon “senden” Molekülionen hin und her. Das kleine Gerät fängt zwar Ionen ein, aber der geplante große Ring in Heidelberg versprach viel mehr, wenn es darum ging, das Verhalten von kalten Molekülionen zu verstehen.

Der Plan für die CSR erwies sich als ebenso herausfordernd wie ehrgeizig, und die Bauherren sahen sich mit einer langen Reihe von technologischen und wissenschaftlichen Hürden konfrontiert, die manchmal unüberwindbar schienen.

Obwohl Prof. Zajfman nicht in die tägliche Überwachung des Baus eingebunden war, verfolgte er weiterhin den Fortschritt und beriet bei der Überwindung verschiedener Schwierigkeiten. Während Zajfman ein zweites und dann noch ein halbes Semester am Weizmann-Institut absolvierte, hielten die Wissenschaftler und Ingenieure des CSR-Teams durch und lösten die Probleme nach und nach, sobald sie auftraten.

So freute sich der “Eureka”-Schrei im vergangenen Jahr besonders, als die Gruppe verkündete, dass die CSR ihre Arbeit aufgenommen und sogar erste Ergebnisse erzielt hatte. Unter anderem gelang es ihnen, den gesamten Ring auf etwa vier Grad über dem absoluten Nullpunkt abzukühlen, und die ersten Experimente im Ring haben bereits einige überraschende Entdeckungen gebracht.

Diese Experimente untersuchten Molekülionen, die aus einem Wasserstoff- und einem Heliumatom (HeH+) bestehen, den ersten beiden Elementen, die im jungen Universum entstanden sind. Die CSR ermöglichte es den Wissenschaftlern, sich auf die Art und Weise zu konzentrieren, wie dieses Molekül an ein Elektron aus dem umgebenden Plasma greift.

Das Elektron neutralisiert die positive Ladung des Ions, bricht aber auch das Molekül auf. Das heißt, der Prozess der Anziehung von Elektronen ist letztlich ein zerstörerischer; da es Moleküle in Atome aufspaltet, behindert es die Entstehung der komplexeren Materie, aus der Sterne entstehen.

Prof. Zajfman sagt, dass eine der beeindruckendsten Eigenschaften der großen CSR ist, dass sie den Forschern die Möglichkeit gibt, ein einzelnes Molekül zu isolieren und es “persönlich” zu verfolgen. Das heißt, die Ergebnisse können verfolgen, was mit einem Molekül passiert, wenn es zusammenkommt und auseinander fällt, im Gegensatz zu früheren Experimenten dieser Art, die einen Durchschnitt für eine Gruppe von Molekülen ergeben, und schon gar nicht bei der entsprechenden Kälte.

Eines der überraschenden Ergebnisse stellt eine sehr grundlegende Annahme in Frage – die Idee, dass die Menge an HeH+, die im Universum existiert, das Ergebnis einer Art stabiles Verhältnis zwischen den Raten der Molekülbildung und ihrem anschließenden Zerfall ist.

Da das Ion selten ist, hatten die Wissenschaftler den Schluss gezogen, dass der Abbau schneller und häufiger erfolgt als der umgekehrte Prozess – der der Molekülentstehung.

Aber die Experimente – einige der kontrolliertesten und präzisesten, die je durchgeführt wurden – zeigten mehr Produktion und langsameren Abbau, als die Theorie postuliert.

Könnte dies im frühesten Universum der Fall gewesen sein? Die Ergebnisse legen nahe, dass ein Überdenken der Theorien und Modelle zur Erklärung der Entstehung der ersten molekularen Materie – und damit der ersten Sterne und Galaxien – erforderlich ist.

Die Forschung von Prof. Daniel Zajfman wird unterstützt durch den Benoziyo Endowment Fund for the Advancement of Science, den Veronika A. Rabl Physics Discretionary Fund und den Comisaroff Family Trust. Prof. Zajfman ist Inhaber des Simon-Weinstock-Lehrstuhls für Astrophysik.

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Quelle/Sender: Weizmann Wonder Wander