07.07.2026
Den Urknall vermessen: TUD-Forscher untersuchen im Labor die ersten Minuten des Universums
In ihren Experimenten führen die Forscher Messungen in genau dem Energiebereich durch, der für die Prozesse beim Urknall relevant ist: Toralf Döring, Steffen Turkat, Max Osswald, Frederik Uhlemann (v. l. n. r.).
Die Geschichte des Universums begann vor 13,8 Milliarden Jahren. Doch einige Details der ersten Minuten sind bis heute nicht vollständig verstanden. Am Neutronengenerator des Instituts für Kern- und Teilchenphysik (IKTP) der Technischen Universität Dresden (TUD) wurde eine neue Experimentierstation in Betrieb genommen, mit der genau diese frühe Phase der kosmischen Entwicklung untersucht werden soll. Erste Messungen konnten bereits erfolgreich durchgeführt werden.
Wie entstanden die ersten chemischen Elemente im Universum? Diese Frage beschäftigt die Astrophysik seit Jahrzehnten. Bereits in den ersten Minuten nach dem Urknall bildeten sich die ersten Atomkerne – ein Prozess, der als primordiale Nukleosynthese oder "Big-Bang" bezeichnet wird. Dabei entstanden vor allem die leichten Elemente Wasserstoff und Helium, die bis heute den größten Teil der sichtbaren Materie im Universum ausmachen. Trotz der enormen Beiträge von Sternen, Supernovae und Neutronensternverschmelzungen zur Entstehung schwererer Elemente hat sich dieses Verhältnis seitdem kaum verändert.
Die theoretischen Modelle der Urknall-Nukleosynthese sind erstaunlich präzise. Dennoch hängen einige ihrer Ergebnisse von Kernreaktionen ab, deren Eigenschaften bislang nicht mit der erforderlichen Genauigkeit bekannt sind. Genau hier setzt ein neues Forschungsprojekt am Institut für Kern- und Teilchenphysik an.
Den Urknall vermessen
Reaktionsschema der beiden relevanten Kernreaktionen, die künftig an der neuen Beamline experimentell vermessen werden sollen.
Im Mittelpunkt stehen zwei Kernreaktionen des Wasserstoffisotops Deuterium. Bei der einen verschmelzen zwei Deuteriumkerne zu Helium-3 und einem Neutron, bei der anderen entstehen Tritium (Wasserstoff-3) und ein Proton. In der Kernphysik werden diese Prozesse als 2H(2H,n)3He - beziehungsweise 2H(2H,1H)3H-Reaktion bezeichnet. Diese Reaktionen spielten eine Schlüsselrolle bei der Entstehung der ersten Elemente im jungen Universum. Ihre Eigenschaften bestimmen maßgeblich die vorhergesagte Häufigkeit von Deuterium und damit die Genauigkeit, mit der sich die Bedingungen während der Urknall-Nukleosynthese rekonstruieren lassen. Gleichzeitig liefern sie wichtige Informationen zur baryonischen Materiedichte des Universums – also zur Menge jener Materie, aus der Sterne, Planeten und letztlich auch wir selbst bestehen.
Ein neuer Strahlplatz für die Astrophysik
Für diese Untersuchungen wurde am DT-Neutronengenerator (DT = Deuterium-Tritium) der TUD in den vergangenen Monaten eine neue sogenannte Beamline aufgebaut und im Juni 2026 erfolgreich in Betrieb genommen. Die speziell für astrophysikalische Fragestellungen entwickelte Strahlführung ermöglicht Messungen in genau dem Energiebereich, der für die Prozesse der Urknall-Nukleosynthese relevant ist. Ein wichtiger Meilenstein wurde bereits erreicht: Mitte Juni konnten die ersten Messungen der Deuteriumreaktionen an eigens entwickelten Targets erfolgreich durchgeführt werden. Damit ist die Grundlage für zukünftige Präzisionsmessungen geschaffen, die zu einer deutlichen Verbesserung der zugrunde liegenden Kernphysikdaten beitragen sollen.
Von der Kernphysik zur Kosmologie
Die kommenden Experimente sollen die Unsicherheiten in den Reaktionsraten der Deuteriumfusion deutlich reduzieren. Präzisere Messdaten verbessern nicht nur unser Verständnis der Entstehung der ersten Elemente, sondern liefern auch wichtige Grundlagen für moderne kosmologische Modelle. Mit der neuen Infrastruktur entsteht in Dresden eine leistungsfähige Forschungsplattform für nukleare Astrophysik. Hier werden fundamentale Fragen zur Geschichte des Universums untersucht – von den ersten Sekunden nach dem Urknall bis hin zur Frage, wie viel Materie es eigentlich im Universum gibt.
Das Projekt ist an der Professur für Kernphysik des Instituts für Kern- und Teilchenphysik angesiedelt. Geleitet wird es von Dr. Steffen Turkat. Zum Team gehören außerdem Doktorand Max Osswald und Masterstudent Frederik Uhlemann. Der Aufbau und die Inbetriebnahme der Beamline wurden maßgeblich von Toralf Döring, wissenschaftlich-technischer Mitarbeiter am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) – Abteilung AMS von Prof. Anton Wallner, unterstützt.
Kontakt:
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Mitarbeiter
NameHerr Dr. Steffen Turkat
Kernphysik
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