Entdeckung von Beweisen für Superstrahlung beim Alpha-Zerfall von Spiegelkernen

Wissenschaftler bezeichnen Atomkerne als „Quanten-Vielteilchensysteme“, weil sie aus vielen Teilchen (Nukleonen, zu denen Neutronen und Protonen gehören) bestehen, die auf komplexe Weise miteinander interagieren. Kerne können Energie absorbieren und sie in angeregte Zustände versetzen. Diese Zustände verlieren dann durch Zerfall Energie und können verschiedene Teilchen aussenden. Die verschiedenen Prozesse des Zerfalls und der Partikelemission werden Zerfallskanäle genannt. Das Zusammenspiel zwischen den inneren Eigenschaften der angeregten Zustände und den verschiedenen Zerfallskanälen führt zu interessanten Phänomenen.

Eines dieser Phänomene ist die Superstrahlung. Dies geschieht, wenn ein Kern eine hohe Anregungsenergie erreicht. Nach dem Kernschalenmodell werden Kerne angeregt, indem Nukleonen in höhere Schalen befördert werden. Diese Konfigurationen werden angeregte Zustände genannt. Mit zunehmender verfügbarer Anregungsenergie steigt die Zahl der Möglichkeiten, wie die Nukleonen gefördert werden können, und damit auch die Zahl der angeregten Zustände. Superradianz kann auftreten, wenn angeregte Zustände so nahe beieinander liegen, dass benachbarte angeregte Zustände einander überlappen. Wenn dies geschieht, beobachten wir nicht viele Zustände, sondern nur einen „überstrahlenden“ Zustand.

Um Hinweise auf Superstrahlung in Kernen zu finden, suchen Kernphysiker nach zwei Systemen, die die gleiche innere Struktur, aber unterschiedliche Zerfallskanäle haben. Spiegelkerne haben die gleiche Gesamtzahl an Protonen und Neutronen, aber die Anzahl der Protonen im einen entspricht der Anzahl der Neutronen im anderen. Die innere Struktur von Spiegelkernen ist dieselbe, da die Kernkraft dieselbe ist, egal ob zwischen zwei Protonen, zwei Neutronen oder einem Proton und einem Neutron. Dies macht die Atomstreitkräfte „ladungsunabhängig“. Die Zerfallskanäle unterscheiden sich jedoch aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Ladungsabstoßung in den beiden Systemen aufgrund der unterschiedlichen Protonenanzahl jedes Systems.

In einer neuen Studie veröffentlicht in Körperliche Überprüfung CWissenschaftler der Texas A&M University, des CEA-Forschungsinstituts in Frankreich, der University of Birmingham (Großbritannien) und der Florida State University haben Hinweise auf den Superradianzeffekt in den Unterschieden zwischen den Alpha-Zerfallszuständen in Sauerstoff-18 und Neon-18 gefunden.

Das Forschungsteam untersuchte die Struktur von Neon-18, indem es einen radioaktiv instabilen Strahl von Sauerstoff-14 auf ein dickes Helium-4-Gasziel streute. Das Gasziel ermöglichte es den Experimentatoren, die Spuren der ein- und austretenden Teilchen zu messen und eine vollständige Rekonstruktion der nuklearen Ereignisse zu erstellen. Die Struktur von Sauerstoff-18 wurde zuvor an der Florida State University untersucht, indem Kohlenstoff-14 mithilfe eines Teilchenbeschleunigers auf ein Helium-4-Target gestreut wurde. Dieses Experiment erzielte sehr gute Ergebnisse und ermöglichte es den Forschern, die Informationen über die angeregten Zustände von Sauerstoff-18 zu nutzen, um die anfänglichen Parameter für die Analyse der Neon-18-Daten zu ermitteln.

Wie aufgrund der Ladungsunabhängigkeit der Kernkraft zu erwarten war, fanden die Forscher eine Übereinstimmung zwischen den Spiegelzuständen in den beiden Kernen, obwohl beim Vergleich der Stärke der Spiegelzustände einige Unterschiede auftraten. Wenn die innere Struktur der Kerne gleich ist, würde man erwarten, dass Spiegelniveaus die gleiche Stärke haben, aber in diesen Fällen führt die Ausrichtung mit leicht unterschiedlichen Zerfallskanälen zu beobachteten Unterschieden. Die Forscher interpretierten diese Unterschiede als Beweis für den Superradiance-Effekt.

Verwandte Forschungsergebnisse wurden auch in veröffentlicht Kommunikationsphysik.