Alpha-Gas oder Neutronensuppe?

  • 20. September 2016

Simulationen erhellen Phasenübergänge in Kernmaterie.

Wie fügen sich Neutronen und Protonen zu Atomkernen zusammen? Eine neue Computersimulation liefert auf diese Frage ein überraschendes Ergebnis: Wurde in der Simulation ein einziger Parameter minimal verändert, hatte das fundamentale Auswirkungen auf den Aufbau der Kerne. Unter leicht unter­schiedlichen Bedingungen könnte unser Universum daher ganz anders aussehen. An der Studie waren neben der Universität Bonn das Forschungs­zentrum Jülich, die Ruhr-Universität Bochum und zwei amerikanischen Hoch­schulen beteiligt.

Abb.: Bei einem bestimmten „Mischungsverhältnis“ zwischen lokalen und nicht-lokalen Wechselwirkungen im Kern kommt es plötzlich zu einem Phasenübergang von einem Gas aus Alpha-Teilchen hin zu einer nuklearen Flüssigkeit. (Bild: D. Lee)

Abb.: Bei einem bestimmten „Mischungsverhältnis“ zwischen lokalen und nicht-lokalen Wechselwirkungen im Kern kommt es plötzlich zu einem Phasenübergang von einem Gas aus Alpha-Teilchen hin zu einer nuklearen Flüssigkeit. (Bild: D. Lee)

Wie sich die Neutronen im Kern genau anordnen, ist nämlich je nach Atom unterschiedlich: In manchen Atomen sind die Kerne aus so genannten Clustern aus Alpha-Teilchen aufgebaut. In anderen Atomen lassen sich diese Alpha-Teilchen dagegen nicht beobachten. „Wir wissen bislang nicht, warum das so ist“, erklärt Ulf Meißner vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn.

Um den Vorgängen bei der Bildung der Atomkerne genauer nach­zu­spüren, bemühen Physiker heute Computer­simulationen. Diese erfordern jedoch extrem komplexe Berechnungen. Selbst mit den schnellsten Super­computern lässt sich heute daher nur die Entstehung sehr kleiner Kerne simulieren. Ziel der aktuellen Studie war es ursprünglich, die Rechen­verfahren effizienter zu machen, um mittelfristig auch die Bindungs­verhältnisse in größeren Kernen simulieren zu können.

Wenn zwei Alpha-Teilchen in einem Atomkern zusammen kommen, beeinflussen sich beide gegenseitig – sie treten miteinander in Wechselwirkung. Wenn sich dabei die relative Position der Protonen und Neutronen in beiden Alpha-Teilchen zueinander nicht verändert, nennt man diese Wechselwirkung „lokal“. Ansonsten spricht man von einer nicht-lokalen Wechsel­wirkung. „Wir haben in unseren Simulationen das Mischungs­verhältnis zwischen lokalen und nicht-lokalen Wechsel­wirkungen variiert“, erklärt Meißner. „Wir haben also immer mehr lokale Wechsel­wirkungen beigemischt.“

Dabei zeigte sich ein unerwarteter Effekt: Ab einem bestimmten Mischungs­verhältnis änderte sich der Zustand des Kerns fundamental. Bildlich gesprochen, ging der Kern von einem gas­förmigen in einen flüssigen Zustand über. Im gasförmigen Zustand ist der Kern aus Alpha-Teilchen aufgebaut, entsprechend einem Bose-Einstein-Gas, im flüssigen dagegen nicht. „Bei welchem Mischungs­verhältnis dieser Phasen­übergang stattfindet, hängt von der Größe des Kerns ab“, sagt der Erstautor der Studie, Meißners Mitarbeiter Serdar Elhatisari.

Die Bindungsverhältnisse im Kern seien also in der Natur ganz nahe an einer Instabilität, die vorher nicht beobachtet wurde, ergänzt Meißner: „Wenn man den Parameter, der die relative Stärke der lokalen zur nicht-lokalen Wechsel­wirkung bestimmt, nur ein kleines bisschen variiert, dann sieht unser Universum ganz anders aus. Unsere Simulationen bieten ein völlig neues Werkzeug, um die Verbindung von Kern­struktur zu den Kern­kräften genauer zu verstehen.“

U. Bonn / DE

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