Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie mithilfe hochintensiver kalter Neutronen erforschen
Bei der Europäischen Spallationsquelle (ESS) handelt es sich um ein multidisziplinäres internationales Labor, das in Zusammenarbeit mit 13 europäischen Ländern errichtet wird. Sie wird in Lund (Schweden) und Kopenhagen (Dänemark) angesiedelt sein und die leistungsstärkste beschleunigerbasierte Neutronenquelle der Welt beherbergen. Die ESS soll für tiefe Einblicke in die Struktur und das Verhalten von Materialien auf kleinster Ebene sorgen. Durch die Fähigkeit der Neutronen, tief in Materialien einzudringen, sowie ihre Empfindlichkeit gegenüber leichten Elementen wie Wasserstoff und Lithium gelten sie als ideal für die Untersuchung fragiler Proben. Damit werden in der Forschung in den Bereichen Werkstoffkunde, Chemie, Strukturbiologie und grundlegende Teilchenphysik neue Möglichkeiten geschaffen.
Zweite Neutronenquelle befindet sich in Planung
Ab 2027 ist für die ESS ein Nutzerprogramm mit bis zu 15 Instrumenten zur Neutronenstreuung geplant. „Das Hauptkriterium für die Entwicklung der ersten Quelle war es, eine außergewöhnlich hohe Neutronenhelligkeit zu erreichen. Aber die Vision der ESS hört hier nicht auf. Ihre flexible Gestaltung erlaubt die Integration einer zweiten Neutronenquelle“, erklärt Valentina Santoro, Koordinatorin des EU-finanzierten Projekts HighNESS. Diese zusätzliche Quelle wird komplementäre Eigenschaften aufweisen und hochintensive kalte Neutronen bereitstellen können, die sich durch niedrige Energien für die Untersuchung atomarer Strukturen auszeichnen. Sie wird außerdem Neutronen mit noch niedrigeren Energien erzeugen, sogenannte sehr kalte Neutronen und ultrakalte Neutronen, wodurch sich die Forschungsmöglichkeiten erweitern. „Diese neuen Kapazitäten werden ehrgeizige Projekte in der Grundlagenphysik unterstützen, darunter die Suche nach der Oszillation zwischen Neutronen und Antineutronen, die möglicherweise eines der größten Rätsel des Universums lösen wird – die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie“, bemerkt Santoro. Daher bestand das Hauptziel von HighNESS darin, eine zweite Neutronenquelle zu erschließen, die die bispektrale Quelle mit hoher Helligkeit über dem Spallationstarget ergänzt. Diese neue Quelle wird die für die Europäische Spallationsquelle geplanten Neutronenstreuungsinstrumente bedienen können. „Unser Vorschlag enthielt einen wissenschaftlichen Fall, bei dem verschiedene Neutronenstreuungsverfahren zum Einsatz kamen, darunter das Experiment NNBAR, mit dem die Oszillation zwischen Neutronen und Antineutronen nachgewiesen werden soll“, so Santoro. „Ohne eine Quelle, die eine um ein Vielfaches höhere Intensität als der derzeitige ESS-Moderator bereitstellt, wären unsere wissenschaftlichen Ziele nicht realisierbar“, betont Santoro. „Flüssiges Deuterium, das jahrzehntelang in Reaktoren und kontinuierlichen Spallationsquellen verwendet wurde, erwies sich als die einzige brauchbare Option für eine solche Quelle.“ Die endgültige Gestaltung bot eine zehnmal höhere Intensität als die derzeitige ESS-Quelle, was für das NNBAR-Experiment entscheidend ist, um die erwarteten Empfindlichkeitsstufen zu erreichen. Zudem verfügt die kalte Quelle über eine größere Emissionsfläche als der obere Moderator, was bei der Entwicklung innovativer Neutronenstreuungsinstrumente genutzt wurde, die jene bei der ESS im Bau befindlichen Instrumente übertreffen werden.
Herausforderungen meistern
Seit über zwei Jahrzehnten wird die Entwicklung einer intensiven sehr kalten Neutronenquelle angestrebt, wobei die Hürden vor allem auf das begrenzte Verständnis der Eigenschaften von Tieftemperaturmaterialien zurückzuführen sind, die als vielversprechende Kandidaten für eine solche Quelle gelten. Dazu hat HighNESS nukleare Datenbibliotheken erstellt, die für zuverlässige Simulationen und die Gestaltung von Neutronenquellen unerlässlich sind. Diese Entwicklung stellt einen bedeutenden Durchbruch in der Gestaltung der Quelle dar und ist nun für die Gemeinschaft zugänglich, die sich an eine frei zugängliche Politik hält. Durch NighNESS war es der NNBAR-Kollaboration auch möglich, durch die Entwicklung einer hochleistungsfähigen kalten Quelle, eines neuen optischen Systems und von Detektorstudien doppelt so hohe Empfindlichkeiten zu erreichen wie ursprünglich vorgeschlagen. „Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir eine Quelle entwickelt haben, die die ESS als die vielseitigste Neutronenquelle der Welt positioniert und Europas Führungsrolle in der Neutronenforschung weiter stärkt“, fasst Santoro zusammen.
Schlüsselbegriffe
HighNESS, ESS, kalte Neutronen, NNBAR, Materie-Antimaterie-Asymmetrie, Neutron-Antineutron-Oszillation, Europäische Spallationsquelle
