Erkundung exotischer Nuklearlandschaften und ihrer kosmischen Auswirkungen

Forschern der Peking-Universität in China ist es gelungen, den schwer fassbaren 02+-Zustand von 8He zu beobachten und dabei eine neuartige Clusterstruktur mit zwei stark korrelierten Neutronenpaaren aufzudecken. Dieser Befund liefert Einblicke in exotische Kernstrukturen und ihre möglichen Auswirkungen auf das Verständnis von Neutronensternen. Die Ergebnisse werden veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Das konventionelle Kernmodell der Physik geht von einem Einzelteilchenbild aus, bei dem sich Nukleonen, Protonen und Neutronen unabhängig voneinander innerhalb eines Kerns bewegen und eine wohldefinierte Schalenstruktur bilden. Beherrscht durch ein mittleres Potenzial, das durch Kernkräfte erzeugt wird, füllen Nukleonen unterschiedliche Energieniveaus oder Hüllen aus, was zu einer erhöhten Stabilität im Zusammenhang mit magischen Zahlen führt.

Dieses in der Quantenmechanik verwurzelte Modell erklärt erfolgreich die Kernstruktur und -stabilität, stößt jedoch bei der Betrachtung exotischer Kerne, insbesondere solcher, die neutronenreich und instabil sind, auf Einschränkungen.

Erstautor der Studie, Prof. Zaihong Yang, erklärte gegenüber Phys.org die Motivation des Teams: „Als Kernphysiker ist es eines unserer Hauptziele, die Struktur des Kerns zu verstehen und wie er aus den komplexen Kernwechselwirkungen entsteht.“ zwischen den einzelnen Nukleonen.

Von besonderem Interesse ist die kondensatartige Clusterstruktur im neutronenreichen Kern 8He.

„Ein kondensatähnlicher Clusterzustand aus einem Alpha- und zwei Dineutronenclustern wurde theoretisch im neutronenreichen Kern 8He vorhergesagt, seine experimentelle Beobachtung blieb jedoch aufgrund der Schwierigkeit sowohl bei der Herstellung als auch bei der Identifizierung dieses exotischen Clusterzustands schwer. „, sagte Prof. Yang.

Clusterzustände und Resonanzzustände von 8He

Der genannte Clusterzustand bezieht sich auf eine bestimmte Kernkonfiguration im neutronenreichen Kern 8He.

In diesem Zustand verbinden sich zwei stark korrelierte Neutronenpaare, sogenannte Dineutronencluster, mit einem Alphacluster (vier Heliumkerne) und bilden so etwas, was die Forscher als „kondensatähnliche Clusterstruktur“ bezeichnen.

Der Begriff „kondensatartig“ stellt eine Analogie zu Bose-Einstein-Kondensaten (BECs) her, einem Aggregatzustand, der bei extrem niedrigen Temperaturen entsteht.

In BECs besetzen Teilchen wie Atome denselben Quantenzustand und zeigen kollektives Verhalten. In ähnlicher Weise deutet der Begriff im Zusammenhang mit dem 8He-Clusterzustand darauf hin, dass die beiden Dineutronencluster und der Alphacluster gemeinsam zur Kernstruktur beitragen.

Die Dineutronencluster werden als 02+ bezeichnet, wobei „0“ die Spinparität angibt (in diesem Fall Spin 0), „2“ den Energiezustand und „+“ die Parität (positiv) angibt.

Um den theoretischen Zustand zu beobachten, führte das Forschungsteam ein Kernstreuexperiment am RIKEN Nishina Center in Japan durch. Dieses experimentelle Unterfangen zielte darauf ab, den theoretischen Clusterzustand innerhalb von 8He zu untersuchen und zu untersuchen.

Der Schwerpunkt lag auf charakteristischen Merkmalen, darunter der schwer fassbaren Spinparität des Clusterzustands, einer ungewöhnlich großen isoskalaren Monopolübergangsstärke und der Emission eines stark korrelierten Neutronenpaars.

„Zusammen mit den modernsten theoretischen Berechnungen liefern unsere Ergebnisse starke Beweise dafür, dass die vier Valenzneutronen im angeregten 02+-Zustand von 8He zwei stark korrelierte Neutronenpaare (Dineutronencluster) bilden und darüber hinaus ein exotisches Kondensat bilden können.“ „ähnliche Clusterstruktur“, erklärte Prof. Yanlin Ye, Zweitautor der Studie.

Diese Leistung bestätigt nicht nur theoretische Vorhersagen, sondern unterstreicht auch den Einfallsreichtum, der bei der experimentellen Gestaltung erforderlich ist, um die Feinheiten der Kernphysik zu bewältigen.

Dazu sagte Prof. Yang: „Eine unmittelbare Folgerung unserer Entdeckung ist, dass instabile Kerne, die an der Grenze der Stabilität liegen, exotische Strukturen aufweisen können, die sich von den herkömmlichen Einzelteilchen- oder Schalenmodellbildern unterscheiden, was eine Verbesserung der Kernenergie erfordert.“ Strukturtheorien.

„Obwohl der Kern im Wesentlichen aus fermionischen Nukleonen (Protonen und Neutronen) besteht, zeigen unsere Ergebnisse, dass die Struktur dieses 02+-Zustands dennoch bosonisch ist – ein BEC-analoger Clusterzustand – bestehend aus zwei Dineutronenclustern und einem Alphacluster. „

Neutronensterne und Pulsare

Der beobachtete 02+-Zustand von 8He hat Auswirkungen über die Kern- und Quantenphysik hinaus. Es ist von großer Bedeutung für unser Verständnis astrophysikalischer Phänomene, insbesondere des Abkühlungsprozesses von Neutronensternen und Störimpulsen in Pulsaren.

Dr. Yang erläuterte den möglichen Zusammenhang zwischen dem 02+-Zustand und Neutronensternen. Die beobachtete kondensatartige Clusterstruktur stimmt mit dem vermuteten Beginn der Neutronen-Superfluidität im Inneren von Neutronensternen überein. Dieses Phänomen ähnelt der Kondensation von Elektronen-Cooper-Paaren in Supraleitern.

„Während wir keinen echten Neutronenstern besuchen können, um seine dichte neutronenreiche Materie zu erfassen, können seine Eigenschaften aus Experimenten mit endlichen Kernen im Labor abgeleitet werden.“

„Der 02+-Zustand, der durch seine einzigartige Clusterkonfiguration gekennzeichnet ist, bietet wertvolle Einblicke in die Bildung eines Kondensationszustands von Neutronenpaaren. Wichtig ist, dass er ein Vorläuferzustand für ein makroskopisches Kondensat von Neutronenpaaren in neutronenreichen Systemen, einschließlich Neutronen, sein könnte.“ Sterne“, erklärte er.

Diese Verbindung zwischen Kernphysik und Astrophysik erweitert nicht nur unser Verständnis exotischer Kernstrukturen, sondern trägt auch dazu bei, die Geheimnisse kosmischer Phänomene zu entschlüsseln und Licht auf das komplexe Zusammenspiel zwischen der mikroskopischen Welt der Kerne und den makroskopischen Bereichen von Neutronensternen und Pulsaren zu werfen.

Bei der Planung des weiteren Wegs gehen die Forscher davon aus, die Messungen auf andere neutronenreiche Kerne auszudehnen, die um die Neutronentropflinie herum liegen (die Grenze der Existenz auf der Kernkarte).

„Wir sind besonders daran interessiert, wie sich die kondensatartige Clusterstruktur mit mehr Dineutronenclustern entwickelt. Die Erforschung von Systemen, die ausschließlich aus Neutronen bestehen, wie Tetraneutronen und Hexaneutronen, macht die Sache noch spannender.“

„Die Herstellung und Identifizierung solcher Zustände ist eine Herausforderung, aber der Bau weltweiter radioaktiver Ionenstrahlanlagen und neuer Detektorsysteme bietet gute Chancen“, schlussfolgerte Prof. Ye.

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