Forschung

Magische Atomkerne und mysteriöse Neutrinos

28.12.2021 - Jahresrückblick Kern- und Teilchenphysik 2021.

Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen – doch viele Eigenschaften dieser Bausteine sind noch nicht vollständig verstanden. Insbesondere das Neutron als ungeladenes Teilchen verschließt sich vielen Messungen und es gibt auch neunzig Jahre nach seiner Entdeckung noch viele offene Fragen, beispielsweise in Bezug auf seine Größe und seine Lebens­dauer. Das Neutron besteht aus drei über Gluonen verbundene Quarks. Physiker nutzen elektromagnetische Formfaktoren, um diese dynamische innere Struktur des Neutrons zu beschreiben. Am BESIII-Experiment in China ist es gelungen, den Formfaktor des Neutrons im Energiebereich von 2 bis 3,8 Giga­elektronen­volt zu messen – und zwar im Vergleich zu vorherigen Messungen mit mehr als 60-mal größerer Genauigkeit. Das Ergebnis: Der Formfaktor zeigt in Abhängigkeit von der Energie ein oszillierendes Muster, dessen Ausschläge mit zunehmender Energie kleiner werden. Dieses überraschende Verhalten zeigt, dass Nukleonen keine einfache Struktur haben. Nun sind die Theoretiker gefragt, Modelle für dieses außergewöhnliche Verhalten zu entwickeln.

Neben der Form ist auch die exakte Größe der Nukleonen Gegenstand aktiver Forschung.  Im Jahr 2010 sorgte eine neue Messung des Proton-Radius an myonischem Wasserstoff für Aufsehen: Die Forscher ermittelten einen deutlich kleineren Wert, als er aus Messungen an normalem Wasserstoff und Elektron-Proton-Streu­­experimenten bekannt war. Verbirgt sich hinter der Abweichung eine neue Physik jenseits des Standard­modells? Neue präzise quanten­chromo­dynamische Berechnungen deuten eher auf einen kleineren Wert für den Proton-Radius – ganz ausschließen können die Physiker den größeren Wert aber nach wie vor nicht. So bleibt weiterhin unklar, ob nicht doch systematische Unsicherheiten der verschiedenen Messmethoden die Ursache der Abweichung sind.

Myonische Atome spielen auch bei einer weiteren Studie eine gewichtige Rolle: Ein internationales Team konnte an myonischem Helium den Radius des Atomkerns fünfmal präziser gemessen als je zuvor. Mithilfe dieses neuen Werts lassen sich künftig fundamentale physikalische Theorien testen und Naturkonstanten noch genauer bestimmen.

Protonen, Neutronen, Pionen und andere Hadronen haben eine Masse, die ihnen durch den Higgs-Mechanismus verliehen wird – aber offen­sicht­lich nicht aus­schließ­lich. Denn ein Proton ist etwa zwanzig Mal masse­reicher, als man es allein mit dem Higgs-Mechanismus erklären kann. Eine Erklärung könnte die Dreiecks-Singu­la­rität bieten, die beschreibt, wie Teilchen durch den Austausch von Quarks ihre Identität ändern und dabei ein neues Teilchen vortäuschen können. Ein internationales Forscherteam hat jetzt bei Zusammenstößen zwischen Pionen und Wasserstoff-Atomen Hinweise auf diesen lange gesuchten Effekt gefunden. Die Dreiecks-Singularität täuscht dabei die Existenz eines Teilchens aus vier Quarks vor.

Während sich die Kernphysik darüber einig ist, dass es keine Systeme gibt, die nur aus Protonen bestehen, suchen Physiker seit über fünfzig Jahren nach Teilchen, die aus zwei, drei oder vier Neutronen zusammen­­gesetzt sind. Würde ein solches Teilchen existieren, müssten Teile der Theorie der starken Wechsel­wirkung neu überdacht werden. Experimente am Beschleuniger-Labor auf dem Forschungs­­campus Garching geben Grund zu der Annahme, dass es ein Teilchen aus vier gebundenen Neutronen tatsächlich gibt. Den Messungen zufolge wäre das Tetra-Neutron ungefähr so stabil wie das Neutron selbst.

Ersetzt man in einem Proton oder Neutron eines der drei Up- und Down-Quarks durch ein Strange-Quark, so erhält man ein Hyperon. Atomkerne, in denen ein oder mehrere Hyperonen eingebaut sind, heißen Hyperkerne. Sie lassen sich mithilfe von Teilchen­kollisionen an Beschleunigern erzeugen. Anschließend können ihre Zerfälle beobachtet und ihre Eigenschaften im Detail untersucht werden. Solche Untersuchungen sollen künftig mit dem neuen Wide Angle Shower Apparatus WASA am GSI Helmholtz­zentrum für Schwerionen­forschung in Darmstadt durchgeführt werden. Der Detektor hat eine höhere Nachweis­effizienz für die Messung aller Zerfalls­produkte der Hyperkerne.

Aber auch bei normalen Atomkernen gibt es noch viele ungelöste Fragen. So etwa, welche Bedeutung Symmetrien bei Kernreaktionen haben. Das haben Forscher aus Deutschland und den USA untersucht. Die Wissenschaftler verwenden diese Eigenschaft, um die Energie­spektren bestimmter Reaktionen von Quantenteilchen vorherzusagen. Ihre Arbeit erweitert den spekulativen Vorschlag eines Sektors mit einer versteckten Symmetrie jenseits des Standard­modells der Elementar­teilchenphysik auf nicht-relativistische Teilchen im Regime starker Wechselwirkungen.

Fragen wirft auch das Isotop Zinn-100 auf. Dieses extrem exotische Nuklid ist schwer in aus­rei­chender Menge herzu­stellen und entzieht sich weit­gehend direkten, genauen Messungen. So gibt es bisher in der Literatur lediglich zwei sich wider­sprechende Werte für die Zerfalls­energie von Zinn-100. Am ISOLDE-Isotopen­­separator des CERN gelang es, die benachbarten Indium-Isotope 99, 100 und 101 herzu­stellen und zu untersuchen. Parallel haben Theore­tiker Rechnungen von Indium, Zinn und anderen Atom­kernen mit modernsten Ab-initio-Methoden und Zwei- und Drei-Teilchen-Wechsel­wirkungen durch­ge­führt. Die Ergeb­nisse aller Methoden zeigen dieselben Trends und stimmen gut mit den experi­men­tellen Daten überein. Über­raschend unter­stützen sowohl die theore­tischen Vorher­sagen als auch die experi­men­tellen Daten die ältere und nicht die neuere, eigent­lich genauere Zerfalls­energie-Messung für Zinn-100.

Zinn-Isotope stehen auch im Zentrum einer anderen Untersuchung: In einem Experiment am Research Center for Nuclear Physics in Osaka konnte ein inter­nationales Forscher­team Heliumkerne in verschiedenen Zinn-Isotopen nach­weisen und die Entwicklung der Wahr­schein­lich­keit für ihre Formierung entlang der Zinn-Isotopenkette studieren. Die Existenz von Helium-Kernen in Kernmaterie wurde theoretisch vorhergesagt und könnte eine wichtige Rolle beispielsweise bei der Modellierung von Neutronen­sternen spielen.

Seit langem sind Kernforscher auf der Suche nach einer „Insel der Stabilität“ jenseits der natürlich vorkommenden Elemente. Denn eine magische Kombi­nation von Protonen und Neutronen bei super­schweren Elementen sollte zu stark ansteigenden Halbwerts­zeiten führen. Experimente an den Beschleuniger­anlagen des GSI-Helmholtz­zentrums für Schwer­ionen­­forschung in Darmstadt zeigen, dass das Zentrum der Insel der Stabilität nicht, wie oft angenommen, bei Element 114 liegt: Die Studie zeigt, dass dieses Isotop nicht stabiler ist als andere in seiner Nähe.

Mit Experimenten am ALTO-Teilchen­beschleuniger im französischen Orsay hat ein Forscherteam Details der Kernspaltung untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass die entstehenden Fragmente ihren Spin erst nach der Spaltung erhalten und nicht vorher, wie bisher in den meisten Theorien angenommen. Überraschend für die Wissenschaftler war insbesondere das Fehlen einer signifikanten Abhängigkeit des in einem Fragment beobachteten durchschnittlichen Spins von dem im Partnerfragment geforderten minimalen Spin.

Mit Teilchendetektoren versuchen Physiker nicht nur, den Aufbau der Materie zu erforschen – sie suchen auch nach den Bestandteilen der dunklen Materie, die eine gewichtige Rolle für das Universum als Ganzes spielt. Um hypothetischen leichten Teilchen der dunkle Materie auf der Spur zu kommen, hat ein internationales Team eine neue Technik auf Basis der kernmagnetischen Resonanz entwickelt, die um fünf Größen­ordnungen empfindlicher ist als bisherige Methoden. Zunächst hat das Team den Massenbereich von wenigen Femto­elektronen­volt bis etwa 800 feV abgesucht, jedoch kein Signal gefunden. Nun soll die Suche auf höhere Massen ausgeweitet werden.

Auch die Suche nach sterilen Neutrinos mit MicroBooNE war bislang erfolglos. Bisher sind drei Arten von Neutrinos bekannt. Jedoch vermuteten Physiker eine bisher unentdeckte vierte Art von Neutrinos – eben die sterilen Neutrinos – als vielversprechende Erklärung für Anomalien in früheren Experimenten. Doch vier komplementäre Studien der internationalen MicroBooNE-Kollaboration zeigen keinen Hinweis für die Existenz der hypothetischen Teilchen. Stattdessen stimmen die Ergebnisse mit dem Standard­modell der Teilchen­physik überein.

Ein andere interes­sante Option für Abweichungen vom Standardmodell sind neuartige Wechsel­wirkungen von Neutrinos. Im Rahmen des CONUS-Experiments suchen Forscher am Kernkraft­werk Brokdorf nach solchen Effekten. Bislang haben die Wissenschaftler nichts gefunden – aber die ersten Ergebnisse setzen für bestimmte theoretische Richtungen die bislang besten Grenzen. Für ihre aktuell präsentierten Ergebnisse verwendeten die Forscher Daten aus Phasen, in denen der Reaktor an- und abgeschaltet war. So lassen sich die gesuchten Prozesse genauer unter­suchen und die Möglich­keiten neu­artiger Physik stärker als bisher einschränken.

Auch mithilfe des IceCube-Detektors am Südpol sind Forscher den Neutrino-Wechselwirkungen auf der Spur. Mithilfe von Daten aus drei Jahren Messzeit haben die Wissenschaftler untersucht, ob atmosphärische Neutrinos zusätzliche Wechsel­wirkungen mit Materie haben. Auch diese Analyse setzt lediglich neue Grenzen für Parameter, die zur Beschreibung von Nicht-Standard-Wechsel­wirkungen verwendet werden.

Für künftige Neutrino-Experimente wie etwa DUNE ist es wichtig, präzise theoretische Vorhersagen für die Streuung von Leptonen an Atomkernen zu haben. Da experimentelle Daten zur Streuung von Neutrinos an Atomkernen rar sind, hat ein Forscherteam die Streuung eines anderen Leptons – des Elektrons –, untersucht. Als Testsystem diente dabei Kalzium-40. Mit einer neuen Ab-initio-Methode konnten die Wissenschaftler sehr präzise berechnen, was bei dieser Streuung von Elektronen passiert und wie der Kalzium-Atomkern sich dabei verhält. Jetzt will sich das Team das Element Argon und dessen Wechselwirkung mit Neutrinos anschauen. Denn Argon wird als Target in dem geplanten DUNE-Experiment eine bedeutende Rolle spielen.

Unterdessen scheint es bei den Kaonen – Mesonen aus zwei Quarks – Hinweise auf Abweichungen vom Standardmodell zu geben. Kaonen wurden bereits 1947 in der Höhenstrahlung entdeckt, heute jedoch mithilfe von Teilchen­beschleunigern erzeugt und untersucht.  Kaonen sind nicht stabil, sondern zerfallen im Schnitt nach wenigen Milliardstel Sekunden. Ein Parameter des Standard­modells beschreibt diesen Zerfall. Sein Wert lässt sich aus den Messdaten von Experimenten rechnerisch extrahieren. Macht man das jedoch für verschiedene Zerfallswege, so erhält man unterschiedliche Ergebnisse. Das könnte ein Hinweis von Physik jenseits des Standardmodells sein.

Unklar ist bislang jedoch, ob die Berechnungen der Zerfälle im Rahmen des Standard­modells präzise genug sind. Mithilfe eines neuen Verfahrens ist es einem Forscherteam gelungen, den Wert des Parameters erheblich schneller und exakter als bislang aus Kaon-Zerfällen zu bestimmen. Die Ergebnisse bestätigen die Diskrepanz zwischen den Werten. Die Hinweise auf eine neue Physik jenseits des Standard­­modells haben sich also verdichtet.

Rainer Kayser

 

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