von DIRK EIDEMÜLLER
Wer nach den Sternen greifen will, muss manchmal in den Keller gehen. Das klingt auf den ersten Blick ein bisschen paradox. Schließlich stehen doch die Teleskope hoch oben auf den Bergen, um einen möglichst ungehinderten Blick ins All zu haben. Doch es gibt spezielle Observatorien, die tief im Untergrund versteckt sind – etwa die Neutrino-Detektoren. Nur unter vielen Metern Gestein oder tief im Wasser oder Eis sind solche Observatorien gut genug vor der Kosmischen Strahlung geschützt.
Denn aus dem All prasseln ständig Teilchen mit zum Teil extrem hoher Energie auf die Erdatmosphäre und erzeugen dabei ganze Schauer aus unsichtbaren Sekundärteilchen. Ein Teil davon kann bis zur Erdoberfläche gelangen oder sogar tief ins Gestein eindringen. „Das stört nicht nur Neutrino-Messungen, sondern auch andere Präzisionsexperimente“, sagt Daniel Bemmerer vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Der Professor für nukleare Astrophysik erforscht die Vorgänge im Zentrum von Sternen.
„Wenn wir die Sonne oder andere Sterne betrachten, sehen wir immer nur die glühend heiße Oberfläche, aber nie die Quelle dieser ganzen Energie“, sagt Bemmerer. Diese stammt letztlich aus Fusionsprozessen – also aus der Verschmelzung von Atomkernen – im Zentrum der Sterne. „Es gibt zwei Möglichkeiten, um etwas über diese Fusionsprozesse herauszufinden: Einerseits mithilfe von Neutrino-Detektoren, andererseits mit kernphysikalischen Präzisionsexperimenten“, sagt Bemmerer.
Neutrinos fliegen fast ungehindert durch Materie und können so Informationen aus dem Sonneninnern liefern. Sie sind zwar sehr schwer nachzuweisen. Doch vor ein paar Jahren gelang mit ihrer Hilfe der Nachweis bestimmter Kernreaktionen im Zentrum der Sonne, weil Neutrinos aus diesen Reaktionen eine spezifische Energie besitzen. „Die Neutrino-Daten alleine liefern aber nur ein unvollständiges Bild von den Geschehnissen im Innern der Sterne“, führt Bemmerer aus. „Um diese Prozesse umfassend beschreiben und verstehen zu können, benötigen wir zusätzlich verschiedene, präzise Messungen solcher Kernreaktionen im Labor.“
Ionenbeschleuniger im Brauereikeller
Dafür haben die Wissenschaftler in Dresden seit ein paar Jahren ein hervorragendes Instrument: Im Südwesten der Stadt, im ehemaligen Eiskeller der Felsenkeller-Brauerei, liegt das „Felsenkeller-Untertage-Labor“. Geschützt durch eine 45 Meter dicke Gesteinsdecke, befindet sich dort ein Ionenbeschleuniger, mit dem sich Kernreaktionen untersuchen lassen. „Das gibt uns einzigartige Möglichkeiten“, freut sich Bemmerer. „Auf der ganzen Welt existieren nur drei derartige Einrichtungen.“
Mit diesem Ionenbeschleuniger hat Bemmerer zusammen mit einem internationalen Forschungsteam einen der fundamentalen Fusionsprozesse von Sternen untersucht: den Bethe-Weizsäcker-Zyklus. Er ist nach den Physikern Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker benannt. Er beschreibt, wie ein Kohlenstoff-Atomkern sukzessive insgesamt vier Protonen (also Wasserstoff-Kerne) einfängt und sich in Stickstoff- und Sauerstoff-Isotope umwandelt, wobei Betastrahlung freigesetzt wird. Schließlich wird ein Alpha-Teilchen ausgesandt, also ein Helium-Kern, sodass wieder der ursprüngliche Kohlenstoff-Kern entsteht. In Summe fusionieren somit vier Protonen zu einem Helium-Kern, wobei Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) und Sauerstoff (O) gewissermaßen als Katalysatoren dienen. Deshalb wird der Gesamtprozess auch kurz als CNO-Zyklus bezeichnet.
