EBS and in-beam $\gamma$-ray investigation of FCVA-prepared Cr$_2$O$_3$ targets for low-energy $^{16}$O+$^{16}$O fusion experiments

Tief im Inneren massiver Sterne, lange nachdem sie ihren primären Brennstoff erschöpft haben, findet eine entscheidende Transformation statt. Der Kern, der nun reich an Sauerstoff ist, erreicht so extreme Temperaturen, dass Sauerstoffkerne beginnen, miteinander zu kollidieren. Dieser Prozess, bekannt als Sauerstoffbrennen, ist ein entscheidender Moment im Leben eines Sterns, der bestimmt, wie er sich entwickelt und welche schwereren Elemente er vor seinem endgültigen Kollaps erschafft. Um diese kosmische Alchemie zu verstehen, müssen Wissenschaftler genau wissen, wie oft diese Sauerstoffkerne bei den spezifischen, niedrigen Energien, die in stellaren Innenräumen herrschen, miteinander verschmelzen. Die Messung dessen ist jedoch unglaublich schwierig. In einem Labor sinkt die Wahrscheinlichkeit, mit der zwei Sauerstoffkerne verschmelzen, bei abnehmender Energie so drastisch ab, dass das Signal fast unsichtbar wird, begraben unter einem Meer von Rauschen durch andere, häufigere Reaktionen. Um das schwache Leuchten des wahren Fusionsereignisses zu sehen, benötigen Forscher Ziele, die aus reinen Sauerstoffverbindungen bestehen und mit einer solchen Präzision vorbereitet wurden, dass keine fremden Atome die empfindliche Messung stören.

Ein Forschungsteam hat einen bedeutenden Schritt zur Lösung dieses Problems unternommen, indem es eine neue Art von Targetmaterial für diese Experimente entwickelt und getestet hat. Sie konzentrierten sich auf Chromoxid, eine feste Verbindung, die reich an Sauerstoff ist, und bereiteten diese mit einer spezialisierten Technik namens gefilterte kathodische Vakuumlichtbogen-Deposition vor. Diese Methode beinhaltet die Erzeugung eines Stroms geladener Chromatome und deren Führung durch einen Magnetfilter, der wie ein Sieb wirkt, große, unerwünschte Tropfen entfernt und sicherstellt, dass sich nur ein glatter, dichter Film auf einem Metallsubstrat absetzt. Das Ziel war es, eine Schicht aus Chromoxid zu schaffen, die perfekt gleichmäßig und frei von Verunreinigungen ist, insbesondere Kohlenstoff, der der Hauptgegner in diesen Niedrigenergie-Fusionsstudien ist. Selbst eine winzige Menge Kohlenstoff kann seine eigenen Fusionsreaktionen mit dem Sauerstoffstrahl auslösen, was Gammastrahlen erzeugt, die das Signal imitieren, das Wissenschaftler eigentlich finden wollen, was zu falschen Schlussfolgerungen darüber führt, wie oft die Fusion stattfindet.

Um ihre Arbeit zu verifizieren, unterzogen das Team diese neuen Targets strengen Tests. Zuerst beschossen sie die Chromoxidfilme mit einem Protonenstrahl und maßen, wie die Protonen zurückprallten. Diese Technik, bekannt als elastische Rückstreuspektrometrie, ermöglichte es ihnen, die Atome innerhalb des Films mit hoher Präzision zu zählen. Sie fanden heraus, dass die Filme bemerkenswert konsistent waren, mit einer Dicke und chemischen Bilanz, die ihren Erwartungen entsprachen. Der Sauerstoffgehalt war hoch und über die Oberfläche hinweg gleichmäßig, mit einer Dichte von etwa 3,24 bis 3,25 mal Zehn hoch 17 Atomen pro Quadratzentimeter. Auch das Verhältnis von Chrom zu Sauerstoff lag sehr nah an der idealen chemischen Formel, was darauf hindeutet, dass der Film gut geformt war. Die Analyse enthüllte jedoch auch eine kleine, aber messbare Menge Kohlenstoff, etwa 1,25 bis 1,29 Prozent, die in die Oxidschicht eingebettet war. Überraschenderweise entdeckten sie eine viel größere Konzentration von Kohlenstoff auf der Oberfläche des Metallsubstrats unter dem Film, ein Rückstand, den der Reinigungsprozess nicht vollständig entfernt hatte.

Die Forscher gingen dann zur nächsten Phase der Validierung über, indem sie diese Targets einem Sauerstoffionenstrahl aussetzten, um zu sehen, was geschieht, wenn diese mit denselben Teilchen bombardiert werden, die in tatsächlichen Fusions-Experimenten verwendet werden. Sie lauschten auf die spezifischen Blitze der Gammastrahlung, die auf ein erfolgreiches Fusionsereignis hindeuten würden. Die Ergebnisse waren eine Mischung aus Erfolg und Vorsicht. Die Detektoren erfassten eindeutig die einzigartigen Signaturen der Sauerstoff-Sauerstoff-Fusionsreaktion, speziell die Gamma-Strahlen, die emittiert werden, wenn die resultierenden Kerne ihre überschüssige Energie abgeben; diese Signale erschienen bei Energien von 1249, 1266, 1779 und 2235 Kiloelektronenvolt, was bestätigte, dass der Fusionsprozess stattfindet und gemessen werden kann. Die Spektren wurden jedoch von starken Signalen aus Aluminium und Magnesium dominiert, die entstehen, wenn der Sauerstoffstrahl auf Kohlenstoffatome trifft. Da die Kohlenstoffverunreinigung auf dem Metallsubstrat so signifikant war, waren diese Hintergrundsignale intensiv und überdeckten effektiv die spezifischen Gammastrahlen, die von der Fusion von Sauerstoff mit Kohlenstoff zur Bildung dieser gleichen Elemente ausgegangen wären.

Diese Studie zeigt, dass die Technik der gefilterten kathodischen Vakuumlichtbogen-Deposition eine praktikable und leistungsstarke Methode zur Herstellung hochwertiger Oxid-Targets für die Kernphysik ist. Die produzierten Filme sind dicht, gleichmäßig und chemisch stabil und bieten eine solide Grundlage für zukünftige Experimente. Dennoch verdeutlicht die Arbeit auch einen kritischen Engpass: Während der Film selbst sauber ist, bleibt das Substrat, auf dem er sitzt, eine Quelle der Interferenz. Die Kohlenstoffverunreinigung auf dem Metallsubstrat ist erheblich genug, um einen Hintergrund zu erzeugen, der die Messung bestimmter Fusionspfade erschwert. Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass für die nächste Generation von Experimenten, die darauf abzielen, das volle Spektrum der Fusionsreaktionen mit maximaler Präzision abzubilden, der Fokus auf die weitere Reinigung der Basismaterialien gerichtet werden muss. Durch die Eliminierung des Kohlenstoffs auf dem Substrat können Wissenschaftler endlich die Sicht klären, um die Gesamtfusionsrate von Sauerstoffkernen ohne den Schatten von Verunreinigungen zu messen und uns so einen Schritt näher zum Verständnis der feurigen Herzen sterbender Sterne zu bringen.