Präzisionsmessung der Photodissoziation des Deutrons und der Umkehrreaktion bei Energien im Bereich der Big-Bang-Nukleosynthese
Final Report Abstract
Zwischen 10 und 1000 s nach dem Urknall bildeten sich während der Big Bang Nukleosynthese (BBN) die ersten leichten Elemente aus Protonen und Neutronen. Die primordialen Häufigkeiten dieser Elemente hingen von den Wirkungsquerschnitten der beteiligten Kernreaktionen ab. Vergleiche zwischen den Ergebnissen nuklearer Netzwerkrechnungen mit astronomischen Beobachtungen bieten eine einzigartige Möglichkeit, etwas über das Universum zu dieser Zeit zu erfahren. Da es für die p(n,γ)d-Reaktion, die eine Schlüsselreaktion der BBN ist, kaum Messungen im relevanten Energiebereich gibt, beruht deren Reaktionsrate in Netzwerkrechnungen auf theoretischen Berechnungen. Darin fließen auch experimentelle Daten der Nukleon-Nukleon-Streuung, des Einfangquerschnitts für thermische Neutronen sowie (nach Anwendung des Prinzips des detaillierten Gleichgewichts) der d(γ,n)p-Reaktion mit ein. Diese Reaktion, die Photodissoziation des Deuterons, ist bei BBN-Energien (Tcm = 20–200 keV) ebenfalls kaum vermessen. Die großen experimentellen Unsicherheiten machen Vergleiche mit den präzisen theoretischen Berechnungen schwierig. In den letzten Jahren wurde die d(γ,n)p-Reaktion und insbesondere der M1-Anteil des Wirkungsquerschnitts mit quasi-monoenergetischen γ-Strahlen aus Laser-Compton-Streuung oder durch Elektrodesintegration untersucht. Üblicherweise verwendete man für Messungen des d(γ,n)p- Wirkungsquerschnitts entweder die auf wenige diskrete Energien beschränkte Strahlung des γ-Zerfalls oder Bremsstrahlung, für die aber eine genaue Photonenflussbestimmung sowie der Nachweis von einem der Reaktionsprodukte und dessen Energie nötig ist. Da diese Energie im Bereich der BBN relativ gering ist, gab es bisher noch keine absoluten Messung des d(γ,n)p-Wirkungsquerschnitts bei Tcm < 5 MeV mit Bremsstrahlung. Das Ziel dieses Projektes ist eine solche Messung mit einer Unsicherheit von 5 % im für die BBN relevanten Energiebereich und darüber hinaus bis Tcm ~ 2.5 MeV unter Verwendung gepulster Bremsstrahlung an der Strahlungsquelle ELBE. Dieser supraleitende Elektronenbeschleuniger befindet sich am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und stellt einen Elektronenstrahl hoher Intensität bereit. Die kinetische Elektronenenergie von 5 MeV wurde mit einem Browne-Buechner-Spektrometer präzise gemessen. Die Energieverteilung der in einer Niob-Folie erzeugten Bremsstrahlungsphotonen wurde berechnet. Die Photonenflussbestimmung nutzte die Kernresonanzstreuung an 27Al, das sich mit deuteriertem Polyethylen in einem mehrschichtigen Target befand. Die 27Al-Abregungen wurden mit abgeschirmten, hochreinen Germanium-Detektoren nachgewiesen, deren Effektivität mit GEANT4 simuliert und durch Quellmessungen normiert wurde. Die Messung der Energie der Neutronen aus der d(γ,n)p-Reaktion erfolgte mittels deren Flugzeit in Plastikszintillatoren, die an zwei Seiten von Photoelektronenvervielfachern mit hoher Verstärkung ausgelesen wurden. Die Nachweiseffektivität dieser Detektoren wurde in einem eigenen Experiment in den Referenz-Neutronenfeldern der PTB Braunschweig kalibriert. Die Nachweisschwelle lag bei etwa 10 keV kinetischer Neutronenenergie. Wegen der guten Zeitauflösung der Neutronendetektoren und des ELBE Beschleunigers genügte eine Flugstrecke von nur 1 m. Die Energieauflösung betrug im d(γ,n)p-Experiment 1–2 %. Leider gingen viele Neutronen bereits durch Streuung in dem großen Target verloren oder sie wurden erst durch Teile des kompakten Experimentaufbaus in die Detektoren gestreut. Beide Effekte wurden mit Hilfe von FLUKA simuliert um einen Korrekturfaktor zu bestimmen, der aber bei niedrigen Energien relativ groß war. Der d(γ,n)p-Wirkungsquerschnitts wurde daher nur im Bereich 0.7 MeV < Tcm < 2.5 MeV bestimmt. Die Ergebnisse stimmen mit anderen Messungen, Daten-Evaluierungen sowie theoretischen Rechnungen überein. Die Gesamtunsicherheit beträgt circa 6.5 % und kommt zu fast gleichen Teilen von den statistischen und systematischen Unsicherheiten. Die statistische Unsicherheit könnte durch eine längere FLUKA Simulation noch von 3–5 % auf 1 % verringert werden. Die systematische Unsicherheit von 4.5 % ist vorrangig auf die Photonenflussbestimmung, die Neutronen-Nachweiseffektivität und die Target-Zusammensetzung zurückzuführen.
Publications
- Towards a precision measurement of the photodissociation of the deuteron at energies relevant to Big Bang nucleosynthesis, in Proceedings of the 11th Symposium on Nuclei in the Cosmos (NIC XI), Heidelberg, Germany, 19.-23.07.2010, Proc. Sci. NIC XI (2014) 090
R. Hannaske et al.
(See online at https://doi.org/10.1088/1742-6596/665/1/012003) - Measurement of the photodissociation of the deuteron at energies relevant to Big Bang nucleosynthesis, in Proceedings of the 6th International Conference on Nuclear Physics in Astrophysics (NPA-VI). Lisbon, Portugal, 19.-24.05.2013
R. Hannaske et al.,
- Neutron total cross section measurements of gold and tantalum at the nELBE photoneutron source, Eur. Phys. J. A 49 (2013) 137
R. Hannaske et al.
(See online at https://doi.org/10.1140/epja/i2013-13137-1) - Measurement of the photodissociation of the deuteron at energies relevant to Big Bang nucleosynthesis, Dissertation Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften der Technischen Universität Dresden, 26.05.2015
R. Hannaske
