Blei-208 hat einen faszinierenden Kern. Es ist reich an Neutronen und enthält 82 Protonen und 126 Neutronen. Eine seiner interessanteren Eigenschaften ist seine Struktur: Sein Zentrum besteht sowohl aus Protonen als auch aus Neutronen, aber an seinem Rand befindet sich eine diffuse Hülle, die hauptsächlich aus Neutronen besteht. Wissenschaftler nennen dies die Neutronenhaut.
Die Erforschung der Neutronenhaut kann dazu beitragen, unser Verständnis der Quantenchromodynamik zu vertiefen, also des Verhaltens von Quarks und Gluonen (Austauschteilchen mit starker Kraft) im Kern. Dies kann auch in der Astrophysik Anwendung finden und Einblicke in die Struktur von Neutronensternen geben – dem sehr dichten Kern, der zurückbleibt, nachdem ein Stern mit der 10- bis 25-fachen Sonnenmasse eine Supernova-Explosion erlebt hat.
Anhand von Daten aus Schwerionenläufen des Large Hadron Collider konnten theoretische Physiker am CERN die Dicke der Blei-208-Neutronenhaut auf 0,217 ± 0,058 Femtometer bestimmen. Dies steht im Einklang mit früheren Messungen, die von anderen Kooperationen mit anderen Methoden durchgeführt wurden. Insgesamt verwendeten die Wissenschaftler 670 Datenpunkte aus den Läufen 1 und 2 des LHC, hauptsächlich aus dem ALICE-Experiment, einige auch von ATLAS und CMS.
Die Dicke dieser Neutronenhaut zu messen ist keine leichte Aufgabe. Während die Struktur der Protonen im Kern durch Elektronenstreuung bestimmt werden kann, haben Neutronen keine Ladung und streuen daher Elektronen nicht auf die gleiche Weise. Neutronen werden jedoch stark von der starken Kernkraft beeinflusst, die Quarks und Gluonen in den Atomkernen zusammenhält.
Beim Schwerionenlauf des Large Hadron Collider werden Blei-208-Strahlen in entgegengesetzte Richtungen abgefeuert und bei hohen Energien zur Kollision gebracht. Diese Kerne werden um Faktoren von bis zu 2500 Lorentz-kontrahiert, was bedeutet, dass sie zu einem flachen Pfannkuchen „gequetscht“ werden, der sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt.
Im Moment der Kollision werden aufgrund der enormen Energie und des Drucks in den kollidierenden Kernen die Gluonen, die die Quarks in den Nukleonen zusammenhalten, auseinandergerissen, wodurch eine Substanz namens Quark-Gluon-Plasma entsteht. Es wird angenommen, dass das Universum kurz nach dem Urknall aus Quark-Gluon-Plasma bestand, und es wird auch vermutet, dass es sich im Kern von Neutronensternen befindet.
Wenn der Druck und die Temperatur im LHC sinken, zerfällt dieses Plasma in Partikel, die von LHC-Detektoren verfolgt werden können, um die Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas aufzuzeigen. In Blei-208 bestimmt die Verteilung der Protonen und Neutronen die Größe und Form des Quark-Gluon-Plasmas. Dadurch können Physiker die Struktur des Blei-208-Kerns „sehen“ und so die Dicke seiner Neutronenhaut berechnen.
Dies ist das erste Mal, dass die Dicke der Blei-208-Neutronenhaut mithilfe der starken Kraft gemessen wurde. Die Lead Radius Experiment (PREX)-Kollaboration an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Virginia erzielte im Jahr 2021 ein ähnliches Ergebnis von 0,283 ± 0,071 fm. Dies wurde jedoch mithilfe von Techniken ermittelt, die die elektroschwache Kraft anstelle der starken Kraft nutzen.
„Das Spannende an dieser neuen Bestimmung ist, dass sie nur auf der Grundlage vorhandener Daten durchgeführt wird und dennoch im Vergleich zu anderen experimentellen Bestimmungen eine konkurrierende Unsicherheit mit sich bringt“, sagte Wilke van der Schee von der Abteilung für Theoretische Physik des CERN, einer der Autoren des Papiers. „In Zukunft können gezieltere Messungen die Präzision der Extraktion aus LHC-Daten definitiv verbessern.“
„Das Ergebnis verbindet die Forschung von Physikern aus scheinbar weit entfernten Gebieten auf beispiellose Weise“, ergänzt Giuliano Giacalone, einer der Autoren des Papiers von der Universität Heidelberg. „Es vereint die Themen hochenergetische Kernkollisionen, Neutronensterne und Kernstruktur.“
Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Mehr Informationen:
Giuliano Giacalone et al., Bestimmung der Neutronenhaut von Pb208 aus ultrarelativistischen Kernkollisionen, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.202302