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Kernphysik : Atomkerne mit der Form einer Birne

  • -Aktualisiert am

Ausschnitt aus der Nuklidkarte: Radium-220 (Ra) und Radium-224 sind Alpha-Strahler (gelb). Bild: Brookhaven National Laboratory

Am Genfer Forschungszentrum Cern hat man jetzt ungewöhnlich verformte Atomkerne aufgespürt. Von diesen erhofft man sich unter anderem Hinweise auf den Verbleib der Antimaterie.

          3 Min.

          Atomkerne sind mitunter komplizierte, aus vielen Teilchen bestehende physikalische Systeme. Oft nimmt man vereinfachend an, dass sie kugelförmige Gestalt haben. Das trifft indes nur für „doppelt magische“ Kerne zu, die eine bestimmte Anzahl von Protonen und Neutronen enthalten. Die übrigen Atomkerne ähneln eher einem Diskus oder einem Rugbyball. Doch spezielle Kerne der Elemente Radon und Radium haben eine noch weniger symmetrische Gestalt: Sie sind birnenförmig, wie Wissenschaftler des europäischen Forschungszentrums Cern bei Genf festgestellt haben. Mit dieser Entdeckung verbessern sich die Chancen, durch kernphysikalische Experimente einen Blick auf die noch unbekannte Physik jenseits des Standardmodells der Elementarteilchen zu werfen.

          Dass die Kerne der Isotope Radon-220 und Radium-224, die 220 beziehungsweise 224 Nukleonen besitzen, eine Birnenform aufweisen, hatte man aufgrund von theoretischen Überlegungen erwartet. Ihre exotische Form beruht auf subtilen Eigenschaften der zwischen den Nukleonen wirkenden Kernkräfte. Diese bestimmen auch, wie sich die Kernbausteine im Atomkern anordnen, und somit, welche Gestalt der Kern annimmt. Die zugrundeliegende Theorie ist jedoch äußerst kompliziert und weist noch viele Verständnislücken auf, die man dank der kernphysikalischen Experimente am Cern nun zu schließen hofft.

          Kollisionen, aber bitte sanft 

          Da die Atomkerne von Radon-220 und Radium-224 radioaktiv sind und schon nach wenigen Minuten beziehungsweise Tagen zerfallen, musste die internationale Forschergruppe um Peter Butler von der University of Liverpool die Kerne unmittelbar vor dem Experiment herstellen. Dazu wurden Protonen mit dem „Proton Synchrotron Booster“, einem Teilchenbeschleuniger des Cern, nahezu auf Lichtgeschwindigkeit gebracht und auf eine Zielscheibe aus Urankarbid geschossen. Die bei der Kollision entstandenen Radon- und Radiumkerne wurden anschließend in der Anlage „Rex-Isolde“ beschleunigt und auf Folien aus Nickel, Kadmium oder Zinn gelenkt, wo sie mit den Metallkernen „sanft“ kollidierten.

          Verräterische Gammastrahlung

          Dadurch blieben die Radon- und Radiumkerne unversehrt. Sie wurden aber zu Schwingungen angeregt, woraufhin sie Gammastrahlung mit charakteristischen Eigenschaften emittierten. Aus dem Verlauf der gemessenen Gammaspektren konnten die Forscher um Butler die Form der Kerne rekonstruieren (“Nature“, doi:10.1038/nature12073).

          Hier werden die in Isolde produzierten radioaktiven Radiukern beschleunigt, bevor sie auf die Targetfolie treffen.
          Hier werden die in Isolde produzierten radioaktiven Radiukern beschleunigt, bevor sie auf die Targetfolie treffen. : Bild: Cern

          Während die Kerne von Radium-224 ihre birnenförmige Gestalt bewahrten, wechselten die Radon-220-Kerne ihre Form. Mal waren sie birnenförmig, mal hatten sie die Gestalt eines Rugbyballs. Diese Beobachtungen stehen in Einklang mit den theoretischen Vorhersagen, die für den langlebigen Radium-226-Kern sogar eine noch stärker ausgeprägte Birnenform erwarten lassen.

          Beständiger elektrischer Dipol?

          Der Radium-224-Kern könnte dank seiner Birnenform und noch weiterer besonderer physikalischer Eigenschaften ein empfindlicher Sensor für das Auftreten eines sogenannten permanenten elektrischen Dipolmoments sein. Im Allgemeinen besitzen Teilchen ein solches dauerhaftes Dipolmoment, wenn sie positive und negative elektrische Ladungen enthalten, die unterschiedlich räumlich verteilt sind. Bei Elementarteilchen wie Elektronen oder Quarks indes hat man trotz intensiver Suche ein permanentes elektrisches Dipolmoment bisher noch nicht gefunden. Seine Existenz, die das Standardmodell der Elementarteilchenphysik nicht vorsieht, hätte jedoch weitreichende Konsequenzen.

          Blick ins Innere des MINIBALL Gammastrahlen-Spektrometers.  Die Radiumkerne  werden sanft auf ein festes Target geschossen und auf diese Weise angeregt.  Es entstehen charakteristische Gammastrahlen, die mit den Detektorsegmenten  nachgewiesen werden.
          Blick ins Innere des MINIBALL Gammastrahlen-Spektrometers. Die Radiumkerne werden sanft auf ein festes Target geschossen und auf diese Weise angeregt. Es entstehen charakteristische Gammastrahlen, die mit den Detektorsegmenten nachgewiesen werden. : Bild: Cern

          Wo ist die Antimaterie?

          Ein Teilchen mit einem permanenten elektrischen Dipolmoment, das zudem einen Spin besitzt und sich dadurch wie ein winziger Kreisel verhält, würde sich grundsätzlich von seinem Antiteilchen unterscheiden. So würden bei einem Teilchen Dipolmoment und Spin in ein und dieselbe Richtung zeigen, bei dem Antiteilchen wären beide Größen entgegengesetzt gerichtet. Solch ein nach Meinung der Physiker gravierender Unterschied könnte erklären, warum sich die Materie anders verhält als die Antimaterie und warum Letztere im Universum so gut wie nicht vorkommt. Zwar erlaubt auch das Standardmodell der Elementarteilchenphysik einen gewissen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie, der auch experimentell bestätigt wurde. Doch dieser ist zu gering, als dass er die Dominanz der Materie im Universum erklären könnte.

          MINIBALL Gammastrahlen- Spektrometer von Rex-Isolde: Es misst die Gammaquanten der birnenförmigen Radiumkerne
          MINIBALL Gammastrahlen- Spektrometer von Rex-Isolde: Es misst die Gammaquanten der birnenförmigen Radiumkerne : Bild: Cern

          Birnenform verstärkt die Polarisation

          Mehrere Forschergruppen suchen nach permanenten elektrischen Dipolmomenten, die in den Kernen von Atomen sitzen und deren Elektronenhüllen elektrisch polarisieren. Durch Präzisionsmessungen der Spektrallinien von Atomen hofft man, diese Polarisation nachweisen zu können. Die genauesten Messungen hat man an Atomen des Isotops Quecksilber-199 ausgeführt, doch bisher ohne Erfolg. Ein permanentes elektrisches Dipolmoment in einem Radium-224-Kern sollte sich hingegen leichter aufspüren lassen, da es aufgrund der Birnenform des Kerns und der in ihm herrschenden Kräfte die Atomhülle hundert- bis tausendmal so stark polarisieren würde wie die Hülle des Quecksilberatoms mit seinem nicht birnenförmigen Kern. Butler und seine Kollegen wollen nach weiteren Atomkernen mit Birnenform fahnden, die die Suche nach permanenten elektrischen Dipolmomenten erleichtern könnten.

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