Exotischer Atomkern wirft Licht in die Welt der Quarks

Experimente am CERN und im Beschleunigerlabor in Jyväskylä, Finnland, haben ergeben, dass der Radius eines exotischen Aluminiumkerns, 26mAl, viel größer ist als bisher angenommen. Das Ergebnis, beschrieben in a Papier gerade veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchungwirft Licht auf die Auswirkungen der schwachen Kraft auf Quarks – die Elementarteilchen, aus denen Protonen, Neutronen und andere zusammengesetzte Teilchen bestehen.

Unter den vier bekannten Grundkräften der Natur – der elektromagnetischen Kraft, der starken Kraft, der schwachen Kraft und der Schwerkraft – kann die schwache Kraft mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit den „Geschmack“ eines Quarks verändern. Der Standardmodell Die Theorie der Teilchenphysik, die alle Teilchen und ihre Wechselwirkungen untereinander beschreibt, sagt nicht den Wert dieser Wahrscheinlichkeit voraus, sagt aber für eine gegebene Quark-Variante voraus, dass die Summe aller möglichen Wahrscheinlichkeiten genau 1 ist. Daher ist die Wahrscheinlichkeitssumme bietet eine Möglichkeit, das Standardmodell zu testen und nach neuer Physik zu suchen: Wenn sich herausstellt, dass die Wahrscheinlichkeitssumme von 1 abweicht, würde dies auf neue Physik jenseits des Standardmodells hinweisen.

Interessanterweise steht die Wahrscheinlichkeitssumme, an der das Up-Quark beteiligt ist, derzeit scheinbar in einer Spannung mit der erwarteten Einheit, obwohl die Stärke der Spannung von den zugrunde liegenden theoretischen Berechnungen abhängt. In dieser Summe sind die jeweiligen Wahrscheinlichkeiten für die Umwandlung des Down-Quarks, des Strange-Quarks und des Bottom-Quarks in das Up-Quark enthalten.

Die erste dieser Wahrscheinlichkeiten manifestiert sich im Betazerfall eines Atomkerns, bei dem sich ein Neutron (bestehend aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks) in ein Proton (bestehend aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark) oder umgekehrt verwandelt. Aufgrund der komplexen Struktur der Atomkerne, die Betazerfälle durchlaufen, ist eine genaue Bestimmung dieser Wahrscheinlichkeit jedoch im Allgemeinen nicht möglich.

Um die Wahrscheinlichkeit zu bestimmen, greifen die Forscher daher auf eine Untergruppe von Betazerfällen zurück, die weniger empfindlich auf die Auswirkungen der Kernstruktur reagieren. Zu den verschiedenen Größen, die zur Charakterisierung solcher „supererlaubten“ Betazerfälle benötigt werden, gehört der (Ladungs-)Radius des zerfallenden Kerns.

Hier kommt das neue Ergebnis für den Radius des 26-mAl-Kerns ins Spiel, der einen supererlaubten Beta-Zerfall durchläuft. Das Ergebnis wurde durch Messung der Reaktion des 26-mAl-Kerns auf Laserlicht in Experimenten erhalten, die in der ISOLDE-Anlage des CERN und im Beschleunigerlabor durchgeführt wurden IGISOL-Anlage. Der neue Radius, ein gewichteter Durchschnitt der ISOLDE- und IGISOL-Datensätze, ist viel größer als vorhergesagt, und das Ergebnis ist eine Abschwächung der aktuellen scheinbaren Spannung in der Wahrscheinlichkeitssumme, an der das Up-Quark beteiligt ist.

„Ladungsradien anderer Kerne, die supererlaubten Betazerfällen unterliegen, wurden bereits zuvor bei ISOLDE und anderen Einrichtungen gemessen, und es sind Anstrengungen im Gange, den Radius von 54Co bei IGISOL zu bestimmen“, erklärt ISOLDE-Physiker und Hauptautor der Arbeit, Peter Plattner. „Aber 26mAl ist ein ziemlich einzigartiger Fall, denn obwohl er der am genauesten untersuchte Kern dieser Art ist, ist sein Radius bisher unbekannt geblieben, und wie sich herausstellt, ist er viel größer als bei der Berechnung der Wahrscheinlichkeit angenommen Down-Quark verwandelt sich in Up-Quark.

„Suchen nach neuer Physik jenseits des Standardmodells, einschließlich solcher, die auf den Wahrscheinlichkeiten der Geschmacksänderung von Quarks basieren, sind oft ein hochpräzises Spiel“, sagt CERN-Theoretiker Andreas Juttner. „Dieses Ergebnis unterstreicht, wie wichtig es ist, alle relevanten experimentellen und theoretischen Ergebnisse auf jede erdenkliche Weise zu hinterfragen.“

Frühere und aktuelle Teilchenphysikexperimente weltweit, darunter das LHCb-Experiment am Large Hadron Collider, haben durch die Bestimmung verschiedener Wahrscheinlichkeiten eines Quarkgeschmacks erheblich zu unserem Wissen über die Auswirkungen der schwachen Kraft auf Quarks beigetragen und tragen auch weiterhin dazu bei ändern. Allerdings bieten kernphysikalische Experimente zu supererlaubten Betazerfällen derzeit die beste Möglichkeit, die Wahrscheinlichkeit der Umwandlung des Down-Quarks in das Up-Quark zu bestimmen, und dies könnte auch in absehbarer Zukunft der Fall bleiben.