Sterrenstof maken in het lab

Natuurkundigen hebben modellen die de extreme processen beschrijven waardoor de zwaarste atomen ontstaan. Maar er zijn onvoldoende gegevens om er zeker van te zijn dat deze modellen precies kloppen. Nucleair chemicus Julia Even wil de ontbrekende gegevens verzamelen om beter begrijpen hoe de zwaarste elementen zijn ontstaan.

FSE Science Newsroom | tekst René Fransen | fotografie AV-services RUG

Alle atomen in het universum, met uitzondering van de allerlichtste, zijn ontstaan in het hart van een ster. De Oerknal waarmee het universum begon produceerde bijna alleen waterstof en helium. Die elementen vormden de eerste sterren, waarin door kernfusie zwaardere elementen ontstonden. ‘Het zwaarste element dat hierbij kan ontstaan is ijzer’, legt Even uit. ‘Zwaardere elementen zijn gevormd door processen die plaatsvinden bij supernova’s of het samensmelten van neutronensterren.’ Zo is alle materie, inclusief die waar ons lichaam uit is opgebouwd, gemaakt van ‘sterrenstof’.

Exotische kernen

Het produceren van zware elementen kost veel energie. De meeste elementen die we in de natuur vinden zijn stabiel, en het is lastig om daar extra bouwstenen (protonen of neutronen) aan toe te voegen om er zwaardere kernen van te maken. Daar is de deeltjesversneller AGOR voor nodig, de in het Particle Therapy Research Center (PARTREC) op de Zernike Campus staat. 

Daar hebben Even en haar team acht jaar lang gebouwd aan het NEXT experiment: Neutron-rich, Exotic, heavy nuclei produced in multi-nucleon Transfer reactions. (Neutronen-rijke, Exotische zware kernen geproduceerd in een reactie met verschillende kerndeeltjes). AGOR wordt gebruikt om geladen deeltjes te versnellen tot zo’n hoge snelheid dat ze kunnen reageren met de atoomkernen in een dunne metalen folie. In een klein deel daarvan ontstaat een kernreactie waaruit exotische kernen kunnen ontstaan die we anders alleen in extreme omstandigheden zien, zoals in samensmeltende neutronensterren.

Het is nogal lastig dit soort kernen op te vangen om ze te bestuderen. Dit gebeurt met een magnetisch veld, dat interessante kernen naar een detector leidt. Bij een eerste experiment, dat in juni is uitgevoerd, werd een straal krypton-ionen afgeschoten op folie van lood, waardoor nieuwe kernen ontstonden die met succes zijn geïdentificeerd door naar hun verval te kijken. In nieuwe experimenten zullen de kernen verder bestudeerd worden, en kijken de onderzoekers naar nieuwe combinaties van versnelde ionen en de atomen waarop ze worden afgeschoten.  

De zware kernen die in deze experimenten ontstaan zijn onstabiel, en zullen snel vervallen via verschillende processen. Door de productie en het verval van exotische atoomkernen te bestuderen verzamelen Even en haar team nieuwe informatie over de eigenschappen van zware kernen. Dat levert data op waarmee de bestaande modellen getest en verbeterd kunnen worden.

Schreeuwen van blijdschap

Het ontwerpen en bouwen van de NEXT opstelling begon in 2019, en hij wordt momenteel getest. Even: ‘Alle systemen zijn hiervoor op maat gemaakt. De experimenten die wij willen doen worden normaal gesproken bestudeerd in grote nationale en internationale laboratoria. Dat kunnen wij nu doen bij onze eigen universiteit, wat een hele prestatie is.’ Zij kan daarbij rekenen op een toegewijd team van gemotiveerde studenten, en internationale samenwerking. ‘We delen onze ervaringen en informatie met andere labs en onderzoeksgroepen, bijvoorbeeld over de verwerking van gegevens.’ In dit internationale netwerk werken wetenschappers samen om hun apparatuur voortdurend te verbeteren. 

Als de testfase met succes is afgerond zullen Even en haar collega’s de zoektocht starten naar nieuwe, exotische atoomkernen. ‘Pas als we ons systeem hebben getest met bekende processen kunnen we gaan kijken naar onontgonnen gebieden.’ En wat gebeurt er als ze sporen vindt van nieuw ‘sterrenstof’? ‘Wanneer we voor het eerst kernverval zien wat er op wijst dat we nieuwe zware atoomkernen hebben gemaakt kun je mij vermoedelijk overal op de campus horen schreeuwen van blijdschap.’