Präzisionsmessung der Photodissoziation des Deutrons und der Umkehrreaktion bei Energien im Bereich der Big-Bang-Nukleosynthese

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Die primordiale Nukleosynthese, d.h. die Synthese der leichtesten Elemente in einer späten Phase des Big Bang aus den zuvor in hadronischen Reaktionen entstandenen Protonen (p) und Neutronen (n) bestimmt die anschließende Bildung aller weiteren Elemente. Entsprechend der hohen Temperatur besteht dabei ein Gleichgewicht zwischen der Fusion zu Deuterium 2H=d über (p+n→d+g) und dem umgekehrten Prozess der Photodissoziation des Deuteriums (d+g→p+n), die unter der Voraussetzung der Zeitumkehrinvarianz durch das Prinzip des detaillierten Gleichgewichts miteinander verknüpft sind. Gut vermessen ist ein Maximum des Wirkungsquerschnitts bei 2-3 MeV Schwerpunktsenergie Ecm, entsprechend einer Temperatur von >3•1010 K. Für die Nukleosynthese im Big Bang (BBN) und insbesondere für die Bestimmung des Photon- zu Baryon-Verhältnis (PBR) aus der 2H- und 7Li- Häufigkeit ist aber der Bereich bei <109 K mit um ca. einer Größenordnung geringeren Wirkungsquerschnitten entscheidend. Der Vergleich der astronomisch beobachtbaren Häufigkeit dieser beiden Isotope mit den BBN-Rechnungen erschließt das PBR zu einem früheren Zeitpunkt als die Analyse der neuen, sehr genauen Daten zur Anisotropie der kosmischen Hintergrundstrahlung. Allerdings hat der kleine Wirkungsquerschnitt im entscheidenden Energiebereich für die bisherigen Experimente zu großen Messungenauigkeiten geführt. Die Strahlungsquelle ELBE am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf hat für die Untersuchung des gesamten Bereichs von 10 keV bis einige MeV oberhalb der Schwelle einen intensiven Bremsstrahl mit dafür besonders geeigneten Eigenschaften. Daneben wird ein Neutronenstrahl zur Verfügung stehen, was die bisher an keinem Ort realisierte Messung beider Reaktionsrichtungen mit der gleichen Apparatur ermöglicht. Das Prinzip des detaillierten Gleichgewichts erlaubt so, die für die Genauigkeit besonders kritischen Nachweisempfindlichkeiten der Detektoren auf Konsistenz zu überprüfen.