Schwerer Kern verändert seine Form bei unterschiedlichen Energien

Ein neues Paper beleuchtet die Natur von Atomkernen. Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Körperliche Überprüfung C.

Alles im Universum, von den größten Galaxien bis hin zu einzelnen Atomen, wird von vier fundamentalen Kräften beherrscht, die zusammen beschreiben, wie Teilchen miteinander interagieren und die Welt, wie wir sie kennen, ausmachen. Dazu gehören die elektromagnetische Kraft, die Schwerkraft und die schwachen und starken Kernkräfte.

Nach einer kürzlich durchgeführten Studie am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) und der University of North Carolina in Chapel Hill sind Forscher dem Verständnis der starken Kernkraft, einer der mysteriösesten Kräfte, einen Schritt näher gekommen.

„Mehr als 50 % der medizinischen Verfahren in Krankenhäusern beinhalten heute Kernisotope. Und die meisten dieser Isotope wurden entdeckt, während wir Grundlagenforschung betrieben, wie wir es tun“, sagte Robert Janssens, Professor an der UNC-Chapel Hill und Mitautor von das Papier.

Ihre Arbeit baut auf grundlegenden Theorien über atomare Strukturen auf, die Anfang der 1960er Jahre von der Argonne-Physikerin und Nobelpreisträgerin Maria Goeppert Mayer entwickelt wurden. Sie half bei der Entwicklung eines mathematischen Modells für die Struktur von Kernen. Ihr Modell erklärte, warum eine bestimmte Anzahl von Protonen und Neutronen im Kern eines Atoms dazu führt, dass dieser extrem stabil ist – ein Phänomen, das Wissenschaftler seit einiger Zeit verwirrte.

Das Forschungsteam führte zuvor ähnliche Experimente durch, um die starke Kernkraft zu untersuchen, indem es untersuchte, wie sich die Struktur eines Kerns ändern kann, wenn er durch eine Kernreaktion in einem angeregten Zustand erzeugt wird. Diese und andere anderswo durchgeführte Experimente veranlassten sie, Nickel-64 zu untersuchen, das 64 Neutronen und Protonen enthält. Dieser Kern ist mit 28 Protonen und 36 Neutronen der schwerste stabile Nickelkern. Dieses Nickelisotop hat Eigenschaften, die es seiner Struktur ermöglichen, sich zu ändern, wenn es in höhere Energiezustände angeregt wird.

Für ihr Experiment verwendete das Team das Argonne Tandem Linac Accelerator System, eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, um eine Probe von Ni-64-Kernen auf ein Bleiziel zu beschleunigen. Die Bleiatome konnten die Ni-64-Kerne durch die elektromagnetischen Kräfte anregen, die aus der Abstoßung zwischen den Protonen im Blei und den Protonen im Nickel resultieren.

Der Vorgang sieht ähnlich aus, als würde man eine Tüte Popcorn in die Mikrowelle stellen. Wenn sich die Kerne aufwärmen, fangen sie an, in alle möglichen Formen und Größen zu platzen. Das Popcorn, das aus der Mikrowelle kommt, unterscheidet sich von dem, was hineingekommen ist, und entscheidend ist, dass die Körner ihre Form aufgrund der auf sie ausgeübten Energie verändert haben.

Nachdem die Ni-64-Kerne angeregt wurden, erfasste ein Instrument namens GRETINA die Gammastrahlen, die freigesetzt wurden, als die Kerne in ihren Grundzustand zurückfielen. Ein weiterer Detektor namens CHICO2 bestimmte die Richtung der an der Wechselwirkung beteiligten Teilchen. Die von den Detektoren erhaltenen Daten ermöglichten es dem Team zu bestimmen, welche Form – oder Formen – der Ni-64 annahm, als er angeregt wurde.

Aus der Analyse der Daten wurde geschlossen, dass die durch Wechselwirkungen mit Blei angeregten Ni-64-Kerne auch ihre Form änderten. Aber anstatt in vertraute, flauschige Formen zu platzen, veränderte sich der kugelförmige Atomkern des Nickels in eine von zwei Formen, je nachdem, wie viel Energie auf ihn ausgeübt wurde: abgeflacht, wie ein Türknauf, oder verlängert, wie ein Fußball. Dieser Befund ist ungewöhnlich für schwere Kerne wie Ni-64, die aus vielen Protonen und Neutronen bestehen.

„Ein Modell ist ein Abbild der Realität und es ist nur dann ein gültiges Modell, wenn es erklären kann, was vorher bekannt war, und es eine gewisse Vorhersagekraft hat“, sagte Prof. Janssens. „Wir untersuchen die Natur und das Verhalten von Kernen, um unsere aktuellen Modelle der starken Kernkraft kontinuierlich zu verbessern.“

Letztendlich hoffen die Forscher, dass ihre Ergebnisse in Ni-64 und den umgebenden Kernen den Grundstein für zukünftige praktische Entdeckungen im Bereich der Nuklearwissenschaften wie Kernenergie, Astrophysik und Medizin legen können.