Techn. University, Diss., 2004--Berlin.

Within cosmology, there are two entirely independent pillars which can jointly drive this field towards precision: Astronomical observations of primordial element abundances and the detailed surveying of the cosmic microwave background. However, the comparatively large uncertainty stemming from the nuclear physics input is currently still hindering this effort, i.e. stemming from the 2H(p,γ)3He reaction. An accurate understanding of this reaction is required for precision data on primordial nucleosynthesis and an independent determination of the cosmological baryon density. Elsewhere, our Sun is an exceptional object to study stellar physics in general. While we are now able to measure solar neutrinos live on earth, there is a lack of knowledge regarding theoretical predictions of solar neutrino fluxes due to the limited precision (again) stemming from nuclear reactions, i.e. from the 3He(α,γ)7Be reaction. This thesis sheds light on these two nuclear reactions, which both limit our understanding of the universe. While the investigation of the 2H(p,γ)3He reaction will focus on the determination of its crosssection in the vicinity of the Gamow window for the Big Bang nucleosynthesis, the main aim for the 3He(α,γ)7Be reaction will be a measurement of its γ-ray angular distribution at astrophysically relevant energies. In addition, the installation of an ultra-low background counting setup will be reported which further enables the investigation of the physics of rare events. This is essential for modern nuclear astrophysics, but also relevant for double beta decay physics and the search for dark matter. The presented setup is now the most sensitive in Germany and among the most sensitive ones worldwide. / Innerhalb der Kosmologie gibt es zwei völlig unabhängige Ansätze, die gemeinsam die Präzision in diesem Gebiet weiter vorantreiben können: Astronomische Beobachtungen der primordialen Elementhäufigkeiten und die detaillierte Vermessung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. Dieses Vorhaben wird derzeit allerdings noch durch die vergleichsweise große Unsicherheit des kernphysikalischen Inputs verhindert, vor allem bedingt durch das limitierte Verständnis der 2H(p,γ)3He-Reaktion. Eine präzise Vermessung dieser Reaktion ist sowohl für die Präzisionsdaten zur primordialen Nukleosynthese erforderlich, als auch für die damit einhergehende unabhängige Bestimmung der kosmologischen Baryonendichte. Des Weiteren ist unsere Sonne ein exzellent geeignetes Objekt, um unser theoretisches Verständnis über die Physik von Sternen mit experimentellen Messungen abgleichen zu können. Während wir heutzutage in der Lage sind, solare Neutrinos in Echtzeit auf der Erde messen können, mangelt es noch an der theoretischen Vorhersagekraft von solaren Neutrinoflüssen. Auch hier ist die Präzision (erneut) begrenzt durch das limitierte Verständnis der beteiligten Kernreaktionen, vor allem bedingt durch mangelnde Kenntnis über die 3He(α,γ)7Be-Reaktion. Die vorliegende Arbeit beleuchtet diese zwei Kernreaktionen, die beide unser Verständnis des Universums auf verschiedene Weise einschränken. Während sich die Untersuchung der 2H(p,γ)3He-Reaktion auf die Bestimmung ihres Wirkungsquerschnitts in der Nähe des Gamow-Fensters für die Urknall-Nukleosynthese konzentriert, ist das Hauptanliegen für die 3He(α,γ)7Be-Reaktion eine Messung der Winkelverteilung der dabei emittierten γ-Strahlung bei astrophysikalisch relevanten Energien. Darüber hinaus wird über die Installation eines Messaufbaus zur Untersuchung niedriger Aktivitäten berichtet, das sich durch seine äußerst geringe Untergrundzählrate auszeichnet. Bedingt durch seine hohe Sensitivität kann dieser Aufbau in Zukunft bedeutende Beiträge für die moderne nukleare Astrophysik leisten und ist darüber hinaus beispielsweise auch relevant für die Untersuchung von Doppel-Betazerfällen oder die Suche nach dunkler Materie. Der präsentierte Aufbau ist nun der Sensitivste seiner Art in Deutschland und gehört zu den Sensitivsten weltweit.

Many neutron rich nuclei are involved in the astrophysical r-process (rapid neutron capture process). The r-process forms an important path for heavy element nucleosynthesis and runs along the neutron drip line. Astrophysicists suggested core-collapse supernovae within a neutrino-driven wind scenario where the neutrino wind dissociates all previously formed elements into protons, neutrons and α particles, to be a possible astrophysical scenario for the r-process. Furthermore, reaction network calculations reported a high impact of light neutron rich nuclei to the r-process abundance. Reactions on these exotic nuclei can only be studied with radioactive ion beams as their half lifes, in the order of a few hundred milliseconds (T1/2,19N=330ms), are too low to fabricate target material out of them. Two examples of reactions along the path of the r-process are the 19N(n,γ)20N and the 20N(n, γ)21N reactions. Using 20N (resp. 21N) as a beam, these reactions were studied at the GSI Fragment Separator (FRS) in time-reversed conditions via Coulomb dissociation in the S393 experiment exploiting the virtual gamma field of a lead target. The experiment was performed at the LAND/R3B setup (Large Area Neutron Detector, Reactions with Relativistic Radioactive Beams) in a kinematically complete measurement, i.e., detecting all particles leaving the nuclear reaction. The neutrons flying at relativistic velocity were observed by the LAND detector, the calibration of which plays a crucial role for the present reaction. The Smiley effect, meaning that the measured energy of impinging particles in long scintillators is not independent of the hit position of the particle, has been investigated. It will be shown that reflections of the light traveling through the scintillator and the resulting longer path length of the light when not emitted directly towards the ends of the bar were identified to cause the Smiley effect. Gamma spectra in coincidence with outgoing 19N (resp. 20N) were generated. These fit well to recent publications and were utilized to separate transitions of the projectile nucleus into the ground state or first excited state of the ejectile nucleus. The Coulomb dissociation cross section was calculated for the total reaction, transitions into the ground state and the first excited state of the ejectile nucleus. Furthermore, excitation energy spectra were derived for both reactions separately for ground state transitions and for the dominating transitions into the first excited state. In order to facilitate future experiments on exotic nuclei, two detector solutions for the NeuLAND detector (the successor of LAND) were investigated. Utilizing minimum ionizing electrons of 30MeV at the ELBE facility, time resolutions and detection efficiencies were studied for an MRPC (Multi-gap Resistive Plate Chamber) based neutron detector with passive iron converters, on the one hand, and a pure scintillator based neutron ToF detector on the other hand. The ELBE data show good time resolutions (σt,electron < 120 ps) and detection efficiencies (ǫelectron > 90%) for both systems. Small MRPC prototypes were irradiated with 175MeV quasi-monochromatic neutrons at The Svedberg Laboratory (TSL) in Uppsala measuring efficiencies of ǫMRPC,neutron = 1.0%. It will be shown that MRPCs with passive steel converters may be included as neutron detectors in experiments where a lower multi-neutron capability than the one needed for NeuLAND is sufficient. / Viele neutronenreiche Kerne sind im schnellen Neutroneneinfangprozess (r-Prozess, engl. für rapid) involviert. Der r-Prozess bildet einen wichtigen Pfad für die Nukleosynthese schwerer Elemente und verläuft entlang der Neutronen-Dripline. Astrophysiker schlugen Kernkollaps-Supernovae innerhalb eines neutrinogetriebenen Windes als mögliches astrophysikalisches Szenario für den r-Prozess vor. Dabei werden alle zuvor gebildeten Elemente in Protonen, Neutronen und Alphapartikel dissoziiert. Außerdem ist von Berechnungen mit Reaktionsnetzwerken bekannt, dass leichte neutronenreiche Kerne einen hohen Einfluss auf die Elementverteilung des r-Prozesses haben. Reaktionen dieser exotischen Kerne können nur mit radioaktiven Ionenstrahlen studiert werden, da ihre Halbwertszeiten im Bereich von wenigen hundert Millisekunden (T1/2,19N=330ms) zu gering sind, um Probenmaterial daraus herzustellen. Zwei Beispiele solcher Reaktionen, die auf dem Pfad des r-Prozesses liegen, sind die 19N(n,γ)20N und die 20N(n,γ)21N Reaktionen. Unter Verwendung von 20N (bzw. 21N) als Strahl wurden diese Reaktionen am Fragment Separator (FRS) der GSI unter zeitumgekehrten Bedingungen mittels Coulomb-Aufbruch gemessen, indem das virtuelle Photonenfeld einer Bleiprobe ausgenutzt wurde. Das Experiment wurde am LAND/R3B Aufbau (Large Area Neutron Detector, Reactions with Relativistic Radioactive Beams) in einer kinematisch vollständigen Messung durchgeführt, d.h. alle ausgehenden Reaktionsprodukte wurden detektiert. Die relativistischen Neutronen wurden mit dem LAND-Detektor untersucht. Dessen Kalibration spielt eine wichtige Rolle für die hier analysierten Reaktionen. Dabei wurde der Smiley-Effekt studiert, welcher beinhaltet, dass die gemessene Energie von einfallenden Teilchen mittels langen Szintillatorstreifen nicht unabhängig von der Position ist, an der die Teilchen auf den Detektor treffen. Es wird gezeigt, dass Reflexionen des Lichtes beim Durchgang durch den Szintillator und die größere Weglänge, die das Licht zurücklegen muss, wenn es nicht direkt in Richtung der Enden des Szintillators emittiert wird, den Smiley-Effekt verursachen. Gamma-Spektren in Koinzidenz mit ausgehenden 19N (bzw. 20N) wurden gewonnen und stimmen gut mit früheren Veröffentlichungen überein. Diese Spektren wurden dazu verwendet, die Übergänge des Projektilkerns in den Grundzustand und den ersten angeregten Zustand des Ejektilkerns zu identifizieren. Die Wirkungsquerschnitte des Coulombaufbruchs der Projektilkerne und die Anregungsenergiespektren beider Reaktionen wurden berechnet und separiert in Übergänge in den Grundzustand und die dominierenden Übergänge in den ersten angeregten Zustand. Um künftige Experimente an exotischen Kernen zu ermöglichen, wurden zusätzlich zwei Detektorkonzepte für NeuLAND (Nachfolger von LAND) untersucht. Mit minimal ionisierenden Elektronen mit Energien von 30MeV aus dem Elektronenbeschleuniger ELBE wurden die Zeitauflösungen und Detektionseffizienzen zum einen für einen MRPC (Multi-gap Resistive Plate Chamber) basierenden Neutronendetektor mit passiven Stahlkonverter und zum anderen für einen reinen szintillatorbasierenden Neutronendetektor studiert. Die ELBE-Daten zeigen gute Zeitauflösungen (σt,electron < 120ps) und Detektionseffizienzen (ǫelectron > 90%) für beide Systeme. Kleine MRPC-Prototypen wurden mit quasi-monochromatischen Neutronen mit einer Energie von 175MeV am TSL (The Svedberg Laboratory) in Uppsala bestrahlt. Dabei wurden Effizienzen von ǫMRPC,neutron = 1.0% gemessen. Es wird gezeigt, dass MRPCs mit passiven Stahlkonvertern als Neutronendetektoren bei Experimenten, bei denen eine geringere Multineutronenfähigkeit als für NeuLAND ausreichend ist, eingesetzt werden können.

For about 20 years now, observations of 6Li in several old metal-poor stars inside the halo of our galaxy have been reported, which are largely independent of the stars’ metallicity, and which point to a possible primordial origin. The observations exceed the predictions of the Standard Big-Bang Nucleosynthesis model by a factor of 500. In the relevant energy range, no directly measured S-factors were available yet for the main production reaction 2H(α,γ)6Li, while different theoretical estimations have an uncertainty of up to two orders of magnitude. The very small cross section in the picobarn range has been measured with a deuterium gas target at the LUNA acceler- ator (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics), located deep underground inside Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italy. A beam-induced, neutron-caused background in the γ-detector occurred which had to be analyzed carefully and sub- tracted in an appropriate way, to finally infer the weak signal of the reaction. For this purpose, a method to parameterize the Compton background has been developed. The results are a contribution to the discussion about the accuracy of the recent 6Li observations, and to the question if it is necessary to include new physics into the Standard Big-Bang Nucleosynthesis model.

Many neutron rich nuclei are involved in the astrophysical r-process (rapid neutron capture process). The r-process forms an important path for heavy element nucleosynthesis and runs along the neutron drip line. Astrophysicists suggested core-collapse supernovae within a neutrino-driven wind scenario where the neutrino wind dissociates all previously formed elements into protons, neutrons and α particles, to be a possible astrophysical scenario for the r-process. Furthermore, reaction network calculations reported a high impact of light neutron rich nuclei to the r-process abundance. Reactions on these exotic nuclei can only be studied with radioactive ion beams as their half lifes, in the order of a few hundred milliseconds (T1/2,19N=330ms), are too low to fabricate target material out of them. Two examples of reactions along the path of the r-process are the 19N(n,γ)20N and the 20N(n, γ)21N reactions. Using 20N (resp. 21N) as a beam, these reactions were studied at the GSI Fragment Separator (FRS) in time-reversed conditions via Coulomb dissociation in the S393 experiment exploiting the virtual gamma field of a lead target. The experiment was performed at the LAND/R3B setup (Large Area Neutron Detector, Reactions with Relativistic Radioactive Beams) in a kinematically complete measurement, i.e., detecting all particles leaving the nuclear reaction. The neutrons flying at relativistic velocity were observed by the LAND detector, the calibration of which plays a crucial role for the present reaction. The Smiley effect, meaning that the measured energy of impinging particles in long scintillators is not independent of the hit position of the particle, has been investigated. It will be shown that reflections of the light traveling through the scintillator and the resulting longer path length of the light when not emitted directly towards the ends of the bar were identified to cause the Smiley effect. Gamma spectra in coincidence with outgoing 19N (resp. 20N) were generated. These fit well to recent publications and were utilized to separate transitions of the projectile nucleus into the ground state or first excited state of the ejectile nucleus. The Coulomb dissociation cross section was calculated for the total reaction, transitions into the ground state and the first excited state of the ejectile nucleus. Furthermore, excitation energy spectra were derived for both reactions separately for ground state transitions and for the dominating transitions into the first excited state. In order to facilitate future experiments on exotic nuclei, two detector solutions for the NeuLAND detector (the successor of LAND) were investigated. Utilizing minimum ionizing electrons of 30MeV at the ELBE facility, time resolutions and detection efficiencies were studied for an MRPC (Multi-gap Resistive Plate Chamber) based neutron detector with passive iron converters, on the one hand, and a pure scintillator based neutron ToF detector on the other hand. The ELBE data show good time resolutions (σt,electron < 120 ps) and detection efficiencies (ǫelectron > 90%) for both systems. Small MRPC prototypes were irradiated with 175MeV quasi-monochromatic neutrons at The Svedberg Laboratory (TSL) in Uppsala measuring efficiencies of ǫMRPC,neutron = 1.0%. It will be shown that MRPCs with passive steel converters may be included as neutron detectors in experiments where a lower multi-neutron capability than the one needed for NeuLAND is sufficient. / Viele neutronenreiche Kerne sind im schnellen Neutroneneinfangprozess (r-Prozess, engl. für rapid) involviert. Der r-Prozess bildet einen wichtigen Pfad für die Nukleosynthese schwerer Elemente und verläuft entlang der Neutronen-Dripline. Astrophysiker schlugen Kernkollaps-Supernovae innerhalb eines neutrinogetriebenen Windes als mögliches astrophysikalisches Szenario für den r-Prozess vor. Dabei werden alle zuvor gebildeten Elemente in Protonen, Neutronen und Alphapartikel dissoziiert. Außerdem ist von Berechnungen mit Reaktionsnetzwerken bekannt, dass leichte neutronenreiche Kerne einen hohen Einfluss auf die Elementverteilung des r-Prozesses haben. Reaktionen dieser exotischen Kerne können nur mit radioaktiven Ionenstrahlen studiert werden, da ihre Halbwertszeiten im Bereich von wenigen hundert Millisekunden (T1/2,19N=330ms) zu gering sind, um Probenmaterial daraus herzustellen. Zwei Beispiele solcher Reaktionen, die auf dem Pfad des r-Prozesses liegen, sind die 19N(n,γ)20N und die 20N(n,γ)21N Reaktionen. Unter Verwendung von 20N (bzw. 21N) als Strahl wurden diese Reaktionen am Fragment Separator (FRS) der GSI unter zeitumgekehrten Bedingungen mittels Coulomb-Aufbruch gemessen, indem das virtuelle Photonenfeld einer Bleiprobe ausgenutzt wurde. Das Experiment wurde am LAND/R3B Aufbau (Large Area Neutron Detector, Reactions with Relativistic Radioactive Beams) in einer kinematisch vollständigen Messung durchgeführt, d.h. alle ausgehenden Reaktionsprodukte wurden detektiert. Die relativistischen Neutronen wurden mit dem LAND-Detektor untersucht. Dessen Kalibration spielt eine wichtige Rolle für die hier analysierten Reaktionen. Dabei wurde der Smiley-Effekt studiert, welcher beinhaltet, dass die gemessene Energie von einfallenden Teilchen mittels langen Szintillatorstreifen nicht unabhängig von der Position ist, an der die Teilchen auf den Detektor treffen. Es wird gezeigt, dass Reflexionen des Lichtes beim Durchgang durch den Szintillator und die größere Weglänge, die das Licht zurücklegen muss, wenn es nicht direkt in Richtung der Enden des Szintillators emittiert wird, den Smiley-Effekt verursachen. Gamma-Spektren in Koinzidenz mit ausgehenden 19N (bzw. 20N) wurden gewonnen und stimmen gut mit früheren Veröffentlichungen überein. Diese Spektren wurden dazu verwendet, die Übergänge des Projektilkerns in den Grundzustand und den ersten angeregten Zustand des Ejektilkerns zu identifizieren. Die Wirkungsquerschnitte des Coulombaufbruchs der Projektilkerne und die Anregungsenergiespektren beider Reaktionen wurden berechnet und separiert in Übergänge in den Grundzustand und die dominierenden Übergänge in den ersten angeregten Zustand. Um künftige Experimente an exotischen Kernen zu ermöglichen, wurden zusätzlich zwei Detektorkonzepte für NeuLAND (Nachfolger von LAND) untersucht. Mit minimal ionisierenden Elektronen mit Energien von 30MeV aus dem Elektronenbeschleuniger ELBE wurden die Zeitauflösungen und Detektionseffizienzen zum einen für einen MRPC (Multi-gap Resistive Plate Chamber) basierenden Neutronendetektor mit passiven Stahlkonverter und zum anderen für einen reinen szintillatorbasierenden Neutronendetektor studiert. Die ELBE-Daten zeigen gute Zeitauflösungen (σt,electron < 120ps) und Detektionseffizienzen (ǫelectron > 90%) für beide Systeme. Kleine MRPC-Prototypen wurden mit quasi-monochromatischen Neutronen mit einer Energie von 175MeV am TSL (The Svedberg Laboratory) in Uppsala bestrahlt. Dabei wurden Effizienzen von ǫMRPC,neutron = 1.0% gemessen. Es wird gezeigt, dass MRPCs mit passiven Stahlkonvertern als Neutronendetektoren bei Experimenten, bei denen eine geringere Multineutronenfähigkeit als für NeuLAND ausreichend ist, eingesetzt werden können.

Zwischen 10 und 1000 s nach dem Urknall bildeten sich während der Big Bang Nukleosynthese (BBN) die ersten leichten Elemente aus Protonen und Neutronen. Die primordialen Häufigkeiten dieser Elemente hingen von denWirkungsquerschnitten der beteiligten Kernreaktionen ab. Vergleiche zwischen den Ergebnissen nuklearer Netzwerkrechnungen mit astronomischen Beobachtungen bieten eine einzigartige Möglichkeit, etwas über das Universum zu dieser Zeit zu erfahren. Da es für die p(n,g)d-Reaktion, die eine Schlüsselreaktion der BBN ist, kaum Messungen im relevanten Energiebereich gibt, beruht deren Reaktionsrate in Netzwerkrechnungen auf theoretischen Berechnungen. Darin fließen auch experimentelle Daten der Nukleon-Nukleon-Streuung, des Einfangquerschnitts für thermische Neutronen sowie (nach Anwendung des Prinzips des detaillierten Gleichgewichts) der d(g,n)p-Reaktion mit ein. Diese Reaktion, die Photodissoziation des Deuterons, ist bei BBN-Energien (Tcm = 20–200 keV) ebenfalls kaum vermessen. Die großen experimentelle Unsicherheiten machen Vergleiche mit den präzisen theoretischen Berechnungen schwierig. In den letzten Jahren wurde die d(g,n)p-Reaktion und insbesondere der M1-Anteil des Wirkungsquerschnitts mit quasi-monoenergetischen g-Strahlen aus Laser-Compton-Streuung oder durch Elektrodesintegration untersucht. Üblicherweise verwendete man für Messungen des d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts entweder die auf wenige diskrete Energien beschränkte Strahlung des g-Zerfalls oder Bremsstrahlung, für die aber eine genaue Photonenflussbestimmung sowie der Nachweis von einem der Reaktionsprodukte und dessen Energie nötig ist. Da diese Energie im Bereich der BBN relativ gering ist, gab es bisher noch keine absoluten Messung des d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts bei Tcm < 5 MeV mit Bremsstrahlung. Das Ziel dieser Dissertation ist eine solche Messung mit einer Unsicherheit von 5 % im für die BBN relevanten Energiebereich und darüber hinaus bis Tcm ~ 2,5 MeV unter Verwendung gepulster Bremsstrahlung an der Strahlungsquelle ELBE. Dieser supraleitende Elektronenbeschleuniger befindet sich am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und stellte einen Elektronenstrahl hoher Intensität bereit. Die kinetische Elektronenenergie von 5 MeV wurde mit einem Browne-Buechner-Spektrometer präzise gemessen. Die Energieverteilung der in einer Niob-Folie erzeugten Bremsstrahlungsphotonen wurde berechnet. Die Photonenflussbestimmung nutzte die Kernresonanzstreuung an 27Al, das sich mit deuteriertem Polyethylen in einem mehrschichtigen Target befand. Die 27Al-Abregungen wurden mit abgeschirmten, hochreinen Germanium-Detektoren nachgewiesen, deren Effektivität mit GEANT4 simuliert und durch Quellmessungen normiert wurde. Die Messung der Energie der Neutronen aus der d(g,n)p-Reaktion erfolgte mittels deren Flugzeit in Plastikszintillatoren, die an zwei Seiten von Photoelektronenvervielfachern mit hoher Verstärkung ausgelesen wurden. Die Nachweiseffektivität dieser Detektoren wurde in einem eigenen Experiment in den Referenz-Neutronenfeldern der PTB Braunschweig kalibriert. Die Nachweisschwelle lag bei etwa 10 keV kinetischer Neutronenenergie.Wegen der guten Zeitauflösung der Neutronendetektoren und des ELBE-Beschleunigers genügte eine Flugstrecke von nur 1 m. Die Energieauflösung betrug im d(g,n)p-Experiment 1–2 %. Leider gingen viele Neutronen bereits durch Streuung in dem großen Target verloren oder sie wurden erst durch Teile des kompakten Experimentaufbaus in die Detektoren gestreut. Beide Effekte wurden mit Hilfe von FLUKA simuliert um einen Korrekturfaktor zu bestimmen, der aber bei niedrigen Energien relativ groß war. Der d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts wurde daher nur im Bereich 0.7 MeV < Tcm < 2.5 MeV bestimmt. Die Ergebnisse stimmen mit anderen Messungen, Daten-Evaluierungen sowie theoretischen Rechnungen überein. Die Gesamtunsicherheit beträgt circa 6.5 % und kommt zu fast gleichen Teilen von den statistischen und systematischen Unsicherheiten. Die statistische Unsicherheit könnte durch eine längere FLUKA Simulation noch von 3–5 % auf 1 % verringert werden. Die systematische Unsicherheit von 4.5 % ist vorrangig auf die Photonenflussbestimmung, die Neutronen-Nachweiseffektivität und die Target-Zusammensetzung zurückzuführen.

For about 20 years now, observations of 6Li in several old metal-poor stars inside the halo of our galaxy have been reported, which are largely independent of the stars’ metallicity, and which point to a possible primordial origin. The observations exceed the predictions of the Standard Big-Bang Nucleosynthesis model by a factor of 500. In the relevant energy range, no directly measured S-factors were available yet for the main production reaction 2H(α,γ)6Li, while different theoretical estimations have an uncertainty of up to two orders of magnitude. The very small cross section in the picobarn range has been measured with a deuterium gas target at the LUNA acceler- ator (Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics), located deep underground inside Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italy. A beam-induced, neutron-caused background in the γ-detector occurred which had to be analyzed carefully and sub- tracted in an appropriate way, to finally infer the weak signal of the reaction. For this purpose, a method to parameterize the Compton background has been developed. The results are a contribution to the discussion about the accuracy of the recent 6Li observations, and to the question if it is necessary to include new physics into the Standard Big-Bang Nucleosynthesis model.

Zwischen 10 und 1000 s nach dem Urknall bildeten sich während der Big Bang Nukleosynthese (BBN) die ersten leichten Elemente aus Protonen und Neutronen. Die primordialen Häufigkeiten dieser Elemente hingen von denWirkungsquerschnitten der beteiligten Kernreaktionen ab. Vergleiche zwischen den Ergebnissen nuklearer Netzwerkrechnungen mit astronomischen Beobachtungen bieten eine einzigartige Möglichkeit, etwas über das Universum zu dieser Zeit zu erfahren. Da es für die p(n,g)d-Reaktion, die eine Schlüsselreaktion der BBN ist, kaum Messungen im relevanten Energiebereich gibt, beruht deren Reaktionsrate in Netzwerkrechnungen auf theoretischen Berechnungen. Darin fließen auch experimentelle Daten der Nukleon-Nukleon-Streuung, des Einfangquerschnitts für thermische Neutronen sowie (nach Anwendung des Prinzips des detaillierten Gleichgewichts) der d(g,n)p-Reaktion mit ein. Diese Reaktion, die Photodissoziation des Deuterons, ist bei BBN-Energien (Tcm = 20–200 keV) ebenfalls kaum vermessen. Die großen experimentelle Unsicherheiten machen Vergleiche mit den präzisen theoretischen Berechnungen schwierig. In den letzten Jahren wurde die d(g,n)p-Reaktion und insbesondere der M1-Anteil des Wirkungsquerschnitts mit quasi-monoenergetischen g-Strahlen aus Laser-Compton-Streuung oder durch Elektrodesintegration untersucht. Üblicherweise verwendete man für Messungen des d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts entweder die auf wenige diskrete Energien beschränkte Strahlung des g-Zerfalls oder Bremsstrahlung, für die aber eine genaue Photonenflussbestimmung sowie der Nachweis von einem der Reaktionsprodukte und dessen Energie nötig ist. Da diese Energie im Bereich der BBN relativ gering ist, gab es bisher noch keine absoluten Messung des d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts bei Tcm < 5 MeV mit Bremsstrahlung. Das Ziel dieser Dissertation ist eine solche Messung mit einer Unsicherheit von 5 % im für die BBN relevanten Energiebereich und darüber hinaus bis Tcm ~ 2,5 MeV unter Verwendung gepulster Bremsstrahlung an der Strahlungsquelle ELBE. Dieser supraleitende Elektronenbeschleuniger befindet sich am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und stellte einen Elektronenstrahl hoher Intensität bereit. Die kinetische Elektronenenergie von 5 MeV wurde mit einem Browne-Buechner-Spektrometer präzise gemessen. Die Energieverteilung der in einer Niob-Folie erzeugten Bremsstrahlungsphotonen wurde berechnet. Die Photonenflussbestimmung nutzte die Kernresonanzstreuung an 27Al, das sich mit deuteriertem Polyethylen in einem mehrschichtigen Target befand. Die 27Al-Abregungen wurden mit abgeschirmten, hochreinen Germanium-Detektoren nachgewiesen, deren Effektivität mit GEANT4 simuliert und durch Quellmessungen normiert wurde. Die Messung der Energie der Neutronen aus der d(g,n)p-Reaktion erfolgte mittels deren Flugzeit in Plastikszintillatoren, die an zwei Seiten von Photoelektronenvervielfachern mit hoher Verstärkung ausgelesen wurden. Die Nachweiseffektivität dieser Detektoren wurde in einem eigenen Experiment in den Referenz-Neutronenfeldern der PTB Braunschweig kalibriert. Die Nachweisschwelle lag bei etwa 10 keV kinetischer Neutronenenergie.Wegen der guten Zeitauflösung der Neutronendetektoren und des ELBE-Beschleunigers genügte eine Flugstrecke von nur 1 m. Die Energieauflösung betrug im d(g,n)p-Experiment 1–2 %. Leider gingen viele Neutronen bereits durch Streuung in dem großen Target verloren oder sie wurden erst durch Teile des kompakten Experimentaufbaus in die Detektoren gestreut. Beide Effekte wurden mit Hilfe von FLUKA simuliert um einen Korrekturfaktor zu bestimmen, der aber bei niedrigen Energien relativ groß war. Der d(g,n)p-Wirkungsquerschnitts wurde daher nur im Bereich 0.7 MeV < Tcm < 2.5 MeV bestimmt. Die Ergebnisse stimmen mit anderen Messungen, Daten-Evaluierungen sowie theoretischen Rechnungen überein. Die Gesamtunsicherheit beträgt circa 6.5 % und kommt zu fast gleichen Teilen von den statistischen und systematischen Unsicherheiten. Die statistische Unsicherheit könnte durch eine längere FLUKA Simulation noch von 3–5 % auf 1 % verringert werden. Die systematische Unsicherheit von 4.5 % ist vorrangig auf die Photonenflussbestimmung, die Neutronen-Nachweiseffektivität und die Target-Zusammensetzung zurückzuführen.

The 14N(p,gamma)15O reaction is the slowest stage of the carbon-nitrogen-oxygen cycle of hydrogen burning and thus determines its reaction rate. Precise knowledge of its rate is required to improve the model of hydrogen burning in our sun. The reaction rate is a necessary ingredient for a possible solution of the solar abundance problem that led to discrepancies between predictions of the solar standard model and helioseismology. The solar 13N and 15O neutrino fluxes are used as independent observables that probe the carbon and nitrogen abundances in the solar core. This could settle the disagreement, if the 14N(p,gamma)15O reaction rate is known with high precision. After a review of several measurements its cross section was revised downward due to a much lower contribution by one particular transition, capture to the ground state in 15O. The evaluated total relative uncertainty is still 7.5%, in part due to an unsatisfactory knowledge of the excitation function over a wide energy range. The present work reports experimentally determined cross sections as astrophysical S-factor data at twelve energies between 0.357 - 1.292 MeV for the strongest transition, capture to the 6.79 MeV excited state in 15O with lower uncertainties than before and at ten energies between 0.479 - 1.202 MeV for the second strongest transition, capture to the ground state in 15O. In addition, an R-matrix fit is performed to estimate the impact of the new data on the astrophysical relevant energy range. The recently suggested slight S-factor enhancement at the Gamow window could not be confirmed and differences to previous measurements at energies around 1 MeV were observed. The present extrapolated zero-energy S-factors are S_6.79(0) = (1.19+-0.10) keV b and S_GS(0) = (0.25+-0.05) keV b and they are within the uncertainties consistent with values recommended by the latest review. / Die 14N(p,gamma)15O Reaktion ist die langsamste Phase im Bethe-Weizsäcker-Zyklus des Wasserstoffbrennens und bestimmt deshalb die Reaktionsrate des gesamten Zyklus. Präzise Werte für die Reaktionsrate sind notwendig um das Wasserstoffbrennen in unserer Sonne besser zu verstehen. Besonders das Problem widersprüchlicher Ergebnisse aus Vorhersagen des aktuellen Sonnenmodells und helioseismologischen Experimenten könnte durch genauer bekannte 14N(p,gamma)15O Reaktionsraten aufgelöst werden. Dafür soll der solare 13N und 15O Neutrinofluss von den beta+-Zerfällen als direkter Informationsträger über die Häufigkeit von Stickstoff und Kohlenstoff im Sonneninneren genutzt werden. Der für die Berechnung der Häufigkeiten benötigte Wirkungsquerschnitt der 14N(p,gamma)15O Reaktion wurde in einer Evaluation verschiedener Messungen reduziert, da der Anteil des direkten Protoneneinfang mit Übergang in den Grundzustand deutlich weniger zum gesamten Wirkungsquerschnitt beiträgt als zuvor angenommen. Die evaluierte relative Gesamtunsicherheit ist mit 7.5% dennoch hoch, was zu einem großen Teil an ungenügendem Wissen über die Anregungsfunktion in einem weiten Energiebereich liegt. In der vorliegenden Arbeit werden experimentell ermittelte Wirkungsquerschnitte in Form von astrophysikalischen S-Faktoren für zwei Übergänge vorgestellt. Für den stärksten Übergang, den Protoneneinfang zum angeregten Zustand bei 6.79 MeV in 15O, wurden zwölf S-Faktoren bei Energien zwischen 0.357 – 1.292 MeV mit geringeren Unsicherheiten als zuvor ermittelt und für den direkten Übergang in den Grundzustand zehn Werte zwischen 0.479 – 1.202 MeV. Außerdem wurde ein R-Matrix Fit durchgeführt um den Einfluss der neuen Daten auf Extrapolationen zum astrophysikalisch relevanten Energiebereich zu prüfen. Die kürzlich vorgeschlagene Erhöhung des S-Faktors im Gamow-Fenster konnte nicht bestätigt werden und es wurden auch Unterschiede zu bisherigen Messungen im Energiebereich um 1 MeV deutlich. Die neuen extrapolierten S-Faktoren sind S679(0) = (1.19±0.10) keV b und SGS(0) = (0.25 ± 0.05) keV b und sie stimmen mit den von der Evaluation empfohlenen Werten im Rahmen ihrer Unsicherheiten überein.