Forschung

Größe von Bor-Isotopen bestimmt

14.05.2019 - Isotopieverschiebung der Ladungsradien bei stabilen Bor-Isotopen erstmals gemessen.

In einem Experiment an der TU Darmstadt ist es erstmals gelungen, winzige Größen­unterschiede zwischen stabilen Bor-Isotopen zu bestimmen. Zugleich wurden neue Theorien zu Kern­radien getestet. Dafür waren neben genauer Vermessung der von den Atomen emittierten Spektral­linien anspruchsvolle Berechnungen der Atomhüllen notwendig. Die Ergebnisse legen das Fundament für geplante Messungen an einem exotischen, kurzlebigen Bor-Isotop.

Die Qualität von Kern­modellen wird am besten getestet, indem ein Experiment die theoretische Vorhersage überprüft. Je präziser ein Experiment und die entsprechende Theorie sind, desto signifikanter wird die Aussage: Über­einstimmungen zwischen Experiment und Theorie weisen auf ein korrekteres Modell hin; Abweichungen hingegen können Indizien liefern, welche Effekte in der Theorie möglicherweise noch nicht ausreichend berück­sichtigt wurden. Die Berechnung der Eigenschaften eines Atomkerns stellt ein hochkomplexes Problem dar. Lösungs­ansätze dazu befinden sich noch immer in rasanter Entwicklung. Nur für die leichtesten Kerne können vollständige Rechnungen ausgehend von individuellen Kernbau­steinen ab initio durchgeführt werden.

In einem hoch­präzisen Experiment wurde nun erstmals die Isotopie­verschiebung der Ladungsradien der beiden stabilen Bor-Isotope 10B und 11B gemessen, also die Verschiebung zwischen den charak­teristischen Spektral­linien, die die beiden Isotope aussenden. Der so gewonnene Wert ist etwas größer, als der, den theoretische Kernphysiker der TU Darmstadt und des Argonne National Laboratory (ANL) in Chicago in präzisen Berechnungen ermittelt hatten. Die Experimente wurden im Rahmen des Sonder­forschungs­bereichs 1245 am Institut für Kernphysik der TU Darmstadt von einem Team um Wilfried Nörters­häuser durchgeführt.

Dabei wurden mit hochpräzisen Laser­systemen Atome der stabilen Borisotope, deren Kerne entweder aus zehn oder elf Kernbau­steinen aufgebaut sind, ionisiert. Ein winziger Teil der für die Laser­anregung benötigten Frequenz hängt von der Größe des Atomkerns ab. Die präzise Messung des Frequenz­unterschieds zwischen Bor-10 und Bor-11 erlaubt es, den Unterschied von deren Kerngrößen zu bestimmen. Dazu ist es jedoch notwendig, alle anderen Einflüsse, welche 99,9 Prozent des Frequenz­unterschiedes verursachen, sehr genau zu berechnen. Ein Forscherteam aus Polen hat sich dieser Aufgabe angenommen und erstmals die Isotopie­verschiebung für Systeme mit fünf Elektronen präzise theoretisch ermittelt.

Robert Roth von der TU Darmstadt und ein weiteres Team von theoretischen Kernphysikern am Argonne National Laboratory in den USA haben ihre fort­schrittlichen Kernmodelle verwendet, um parallel die Radien der beiden Isotope zu berechnen und mit den neuen experimentellen Werten zu vergleichen. „Unsere Arbeit demonstriert in besonderer Weise, wie die Verzahnung verschiedener Fachgebiete der Physik neue Erkenntnisse hervorbringt“, erläutert Doktorand Bernhard Maaß. „Ohne die präzisen atom­physikalischen Berechnungen unserer polnischen Kollegen wäre die Genauigkeit unseres Experiments wertlos gewesen, und die Fortschritte in der theo­retischen Kernstruktur­physik machen das Resultat auch für die Kernphysik interessant.“

Die Ergebnisse sind ermutigend für ein weiteres, wesentlich umfang­reicheres Experiment, welches derzeit von der Forschergruppe mit weiteren Kollegen am ANL aufgebaut wird. Dieses hat zum Ziel, analoge Messungen an dem exotischen Bor-Isotop 8B durchzuführen, welches nicht in der Natur vorkommt, da es bereits nach wenigen Milli­sekunden radioaktiv zerfällt. Dieses Radioisotop, das nur am ANL in aus­reichenden Mengen erzeugt werden kann, besitzt eine besondere Struktur: Eines der Protonen umkreist den Kern in einem großen Abstand. Dadurch wird der Kernradius vergrößert, was sich im Experiment in einer starken Verschiebung der Übergangs­frequenz zeigen sollte. Die genaue Bestimmung dieses Radius wird es den theoretischen Kern­physikern erlauben, ihre Berechnungen an einem exotischen Atomkern zu testen, dessen Struktur gegen­wärtig noch nicht gut verstanden ist.

TU Darmstadt / JOL

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