Das Hinzufügen oder Entfernen von Neutronen zu einem Atomkern führt zu Änderungen der Größe des Kerns. Dies wiederum führt zu winzigen Änderungen der Energieniveaus der Elektronen des Atoms, die als Isotopenverschiebungen bezeichnet werden. Wissenschaftler können Präzisionsmessungen dieser Energieverschiebungen verwenden, um den Radius des Kerns eines Isotops zu bestimmen.
In einer aktuellen Studie haben Forscher lasergestützte Messungen der Kernradien der stabilen Siliziumisotope Silizium-28, Silizium-29 und Silizium-30 durchgeführt. Sie haben auch den Radius des instabilen Silizium-32-Kerns gemessen, der 14 Protonen und 18 Neutronen hat. Die Forscher nutzten den Unterschied zwischen dem Radius des Silizium-32-Kerns und seinem Spiegelkern Argon-32, der 18 Protonen und 14 Neutronen hat, um Grenzwerte für Variablen festzulegen, die dabei helfen, die Physik astrophysikalischer Objekte wie Neutronensterne zu beschreiben. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt in der Entwicklung der Kerntheorie, der Erforschung von Kernen und ihren Bestandteilen.
Das Papier ist veröffentlicht im Journal Briefe zur körperlichen Überprüfung.
Trotz der Fortschritte in der Kerntheorie stehen Wissenschaftler noch immer vor Herausforderungen bei ihrem Verständnis von Kernen. So haben Forscher die Beschreibung der Kerngröße nicht mit der zugrundeliegenden Theorie der starken Kernkraft in Verbindung gebracht. Darüber hinaus ist nicht klar, ob Kerntheorien, die endliche Atomkerne beschreiben, eine zuverlässige Beschreibung von Kernmaterie liefern können. Diese spezielle Form von Materie besteht aus wechselwirkenden Protonen und Neutronen. Kernmaterie umfasst Materie in extremen Zuständen wie Neutronensterne. Präzise Messungen von Ladungsradien – dem Radius von Atomkernen – helfen, diese offenen Fragen zu lösen.
Die Forscher verwendeten Laserspektroskopiemessungen von Atomisotopenverschiebungen, um den Kernradius verschiedener Siliziumisotope an der BEam COoler and LAser Spectroscopy Facility (BECOLA) der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) der Michigan State University zu messen.
Die Ergebnisse stellen einen wichtigen Maßstab für die Entwicklung der Kerntheorie dar. Der Ladungsradiusunterschied zwischen dem Silizium-32-Kern und seinem Spiegelkern Argon-32 wurde genutzt, um Parameter einzuschränken, die zur Beschreibung der Eigenschaften dichter Neutronenmaterie in Neutronensternen erforderlich sind. Die erhaltenen Ergebnisse stimmen mit den Einschränkungen aus Gravitationswellenbeobachtungen und anderen ergänzenden Observablen überein.
Weitere Informationen:
Kristian König et al, Nukleare Ladungsradien von Siliziumisotopen, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.162502. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2309.02037