Forschungsbereich Materie

Im Helmholtz-Forschungsbereich „Materie“ werden die Bestandteile der Materie und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte in ganz unterschiedlichen Größenordnungen erforscht, von Elementarteilchen bis zu Strukturen im Universum.

Einblicke in den Forschungsbereich Materie

Hier stellen wir Ihnen aktuelle Forschungsprojekte von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Helmholtz-Zentren vor.

Nachweis schwerer Elemente bei Neutronensternverschmelzungen

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Im Jahr 2017 hat ein internationales Forscherteam die erstmalige Beobachtung von Gravitations- und elektromagnetischen Wellen einer Neutronensternverschmelzung bekanntgegeben. Neutronensternverschmelzungen könnten die astrophysikalische Quelle für schwere Elemente wie Gold, Platin und Uran im Universum sein. Eine internationale Kollaboration unter Leitung von Forscherinnen und Forschern des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt und der Columbia University, USA , hatte bereits darauf hingewiesen, dass die Synthese von schweren Elementen in einer Neutronensternverschmelzung zur Emission eines eindeutigen elektromagnetischen Signals führt. Das nun beobachtete elektromagnetische Signal zeigt in der Tat das vorhergesagte charakteristische Muster und bestätigt, dass die astrophysikalische Quelle der schweren Elemente gefunden und damit eine der elf wichtigsten ungelösten Fragen der Physik, wie sie von den US National Academies formuliert wurden, beantwortet ist.

Mehrere Beobachtungen deuten darauf hin, dass das elektromagnetische Signal durch radioaktive Zerfälle von sogeannten r-Prozess-Kernen erzeugt wird. Es wird geschätzt, dass das Ereignis ungefähr 0,06 Solarmassen von r-Prozess-Material, darunter das Zehnfache der Erdmasse an Gold und Uran, produziert hat. Laut der Vorhersage der Kollaboration wäre die Leuchtstärke der Neutronensternverschmelzung tausend Mal stärker als bei einer Nova und erreichte ihr Maximum nach etwa einem Tag. Das Ereignis wurde deshalb 'Kilonova' getauft. Diese Vorhersage wurde nun ebenfalls durch die Beobachtung des Gegenparts der Gravitationswelle der Neutronensternverschmelzung im optischen und infraroten Bereich bestätigt.

Der r-Prozess ist der am wenigsten verstandene Produktionsprozess von Elementen im Universum. Daran beteiligte Kerne sind so neutronenreich, dass sie noch nicht im Labor hergestellt werden konnten. Mit FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) entsteht bei GSI ein Beschleunigerkomplex, der einzigartige Möglichkeiten zur Erzeugung und zum Studium der r-Prozess-Kerne bieten wird. Bis zur Fertigstellung werden die GSI-Theoretikerinnen und -Theoretiker ausloten, welches die Schlüsselinformationen zur vollständigen Charakterisierung des elektromagnetischen Signals von Neutronensternverschmelzungen sind und welche Rückschlüsse sie auf die r-Prozess-Nukleosynthese zulassen.


Erste Experimente am European XFEL

Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Ein DESY-Forschungsteam hat erfolgreich die ersten Experimente an Europas neuem Röntgenlaser European XFEL abgeschlossen. Ihr Ziel ist es, bisher unbekannte atomare Strukturen und Prozesse auch von medizinisch interessanten Biomolekülen in Echtzeit aufzunehmen. Grundlegend für diese Messmethode sind die sehr intensiven und ultrakurzen Röntgenlaserblitze des European XFEL. Mit einem eigens bei DESY entwickelten Hochgeschwindigkeits-Detektor gelangen den Forscherinnen und Forschern die ersten Strukturaufnahmen mit extrem hoher Auflösung.


Botschafter aus fernen Galaxien

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Seit Anfang der 1960er Jahre weiß man von der Existenz extrem hochenergetischer kosmischer Teilchen, die in die Erdatmosphäre eintreten. Seither rätselt die Wissenschaft, woher diese Teilchen kommen und welcher Prozess ihnen die hohe Energie verleiht. Am Pierre Auger-Observatorium in Argentinien, dem weltweit größten Experiment zur Messung kosmischer Strahlung, wurde nun nachgewiesen, dass sie ihren Ursprung außerhalb unserer eigenen Galaxie haben. Die Sprecherschaft und das Projektmanagement-Office des internationalen Pierre Auger-Observatoriums sind am KIT angesiedelt.


Wie sich Biomoleküle gegen Licht schützen

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB)

Ein HZB-Team hat zusammen mit Partnern aus Schweden und den USA untersucht, wie sich Biomoleküle wie beispielsweise die DNA gegen eine Schädigung durch Licht schützen. Mit Experimenten an der HZB-Synchrotronquelle BESSY II und in Kalifornien konnten sie beobachten, dass Biomoleküle die Energie der Photonen aufnehmen und durch Ablösung eines Protons (Wasserstoffkern) wieder abgeben können. Dabei bleiben wichtige Bindungen erhalten. Die Beobachtung gelang an BESSY II mithilfe eines empfindlichen Messverfahrens, der resonanten inelastischen Röntgenstreuung (RIXS).


Im Neptun regnet es Diamanten

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)

Ein internationales Forscherteam um den HZDR-Physiker Dominik Kraus konnte erstmals in Echtzeit beobachten, dass der extreme Druck und die hohe Temperatur in Eisplaneten Kohlenwasserstoffe in Diamanten und Wasserstoff aufspalten. Dafür simulierten sie die Bedingungen im Inneren der kosmischen Giganten mit Hilfe des Röntgenlasers LCLS am Stanford Linear Accelerator Center. Ähnliche Experimente planen die Forscherinnen und Forscher an der Helmholtz International Beamline, die das HZDR derzeit am European XFEL aufbaut.


Reibrührschweißen im Röntgenstrahl

Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung (HZG)

Die am HZG entwickelte, neuartige Probenumgebung FlexiStir ermöglicht an einem Messplatz im Synchrotronstrahl bei DESY die In-situ-Beobachtung des sogenannten Reibrührschweißprozesses. Dadurch können Veränderungen in der Mikrostruktur des Materials mittels Diffraktion und Kleinwinkelstreuung direkt beobachtet werden. Diese fortschrittliche Experimentiertechnik führte sowohl zum tieferen Verständnis der Materialumwandlung als auch zu wesentlichen Verbesserungen der Prozesssimulation, deren Ergebnisse u.a. im Flugzeugbau Anwendung finden.


Wann werden Atomkerne instabil?

Forschungszentrum Jülich

Wenn Atomkerne zu viele Neutronen enthalten, brechen sie auseinander. Ein internationales Physikerteam hat nun erstmals eine Methode entwickelt, die eine exakte Berechnung ermöglicht, ab wann die Kerne instabil werden. An der Studie war das Jülicher Institut für Kernphysik/Institute for Advanced Simulation maßgeblich beteiligt, die Berechnungen wurden auf dem Jülicher Supercomputer JUQUEEN durchgeführt. Die Ergebnisse erlauben einen detaillierten Einblick in den Aufbau der Atomkerne – und sollen helfen, die Entstehung der Elemente nach dem Urknall besser nachvollziehen zu können.

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