Forschung

Nukleonen im Paartanz

23.12.2019 - Jahresrückblick Kern-, Teilchen- und Astroteilchenphysik 2019.

Ein ungewöhnlich energiereiches Neutrino aus den Tiefen des Alls könnte den Weg zum Verständnis der Entwicklung von aktiven Galaxien­kernen weisen. Das vom IceCube-Neutrino­observatorium am Südpol entdeckte Teilchen stammt mit hoher Wahr­schein­lich­keit von einer 3,8 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie. Wie Aufnahmen im Radiobereich zeigen, liegt der Ursprung des hochenergetischen Neutrinos wohl in der Kollision zweier gigantischer Jets, die durch zwei super­masse­reiche schwarze Löcher im Zentrum dieser Galaxie verursacht wird. Auch die Erforschung der Eigen­schaften dieser extrem leichten Teilchen selbst schreitet voran: So ist die Ruhemasse von Neutrinos zwar noch nicht genau bekannt, doch konnte die Katrin-Kollaboration nun erste Ergebnisse vorlegen und die Neutrino­masse auf einen Wert von weniger als ein Elektronenvolt eingrenzen.

Neutronensterne im Labor

Heftige Reaktionen in den kosmischen Weiten lassen sich zumindest zum Teil auch im Labor nach­voll­ziehen. Am Hades-Experiment bei der GSI gelang es einer inter­nationalen Forscher­gruppe, die Bedingungen bei der Kollision von Neutronen­sternen nachzustellen und die dabei entstehende Schwarz­körper­strahlung zu messen. Sie beträgt beein­druckende acht­hundert Milliarden Kelvin. Ebenfalls an einem Speicher­ring der GSI konnte ein anderes Team den Protonen­einfang in astro­physika­lischen Szenarien genauer bestimmen. Dieser geschieht vor allem im Bereich des Gamow-Fensters und ist entscheidend für das Verständnis der Element­ent­stehung im Weltall.

Denn der Ursprung der schweren Elemente war bis vor wenigen Jahren noch durchaus umstritten. Wie sich anhand astro­physika­lischer Beobach­tungen aber immer stärker heraus­kristal­lisiert, sind für die sehr schweren Elemente wohl vor allem Neutronen­stern-Kollisionen verant­wort­lich. Die dabei in Unmengen frei­werdenden Neutronen können über den r-Prozess große Mengen neuer Elemente erbrüten. Hoch­dichte Kernmaterie lässt sich aber nicht nur bei Kollisions­experi­menten erzeugen, sondern auch dadurch, dass man etwa ein Neutron im Atomkern durch ein Kaon austauscht. Ein solcher exotischer Atomkern ist sogar über­raschend stabil und könnte zu verstehen helfen, wie Neutronen­sterne aufgebaut sind.

Auch dieses Jahr gab es Tests des Standard­modells der Elementar­teilchen. Ein wichtiger solcher Test war die Messung des symmetrie­verletzenden Charakters von Charm-Quarks. Erstmals gelang es der LHCb-Kollaboration, die Verletzung der CP-Symmetrie durch Charm-Quarks zu bestimmen. Sie liegt am oberen Ende dessen, was mit dem Standard­modell verträglich ist. Da dürfte in Zukunft interes­sante weitere Studien nach sich ziehen, da verschiedene Modelle hier starke Effekte von Teilchen jenseits des Standard­modells vorher­sagen. Die direkte Suche nach dunkler Materie erweist sich schließlich weiter als erfolglos. Messungen der Casper-Kollabo­ra­tion mit einer Kernspin­technik haben ergeben, dass in einem großen Parameter­bereich keine Wechsel­wirkungen zwischen Axionen und gewöhnlicher Materie zu sehen sind.

Tanzende Nukleonen und vielgestaltige Atomkerne

Protonen und Neutronen verhalten sich im Atomkern nicht immer wie erwartet. So zeigen Nukleonen im Atomkern gemäß dem EMC-Effekt andere Eigen­schaften als ungebunden. Offenbar bewegen sich hier Protonen und Neutronen im Paartanz. Das widerspricht der altbekannten Annahme, dass Nukleonen sich im Atomkern wie indivi­duelle Teilchen verhalten. Stattdessen wird offenbar die Skalen­trennung bei Quark- und Nukleon-Wechsel­wirkungen gebrochen. Auch die Form und Größe von Atomkernen lässt sich von Seiten der Theorie nicht immer klar vorhersagen. Dabei werden die Kerne mit zunehmender Masse nicht einfach größer, sondern variieren ihre Dimensionen in einer komplexen Weise. So überraschte die Messung der Größe von Kalzium-Kernen, die einen deutlich kleineren Wert ergab als angenommen. Auch Messungen an verschiedenen Bor-Kernen lieferten etwas andere Werte als von der Theorie erwartet.

Die Form von Atomkernen ist nicht immer kugelrund, sollte aber zumindest in der Nähe abgeschlossener Kern­schalen doch kugel­förmig sein. Wie Messungen am Quadrupol­moment von Kadmium­kernen nun belegten, ist aber auch das nicht immer der Fall. Vielleicht muss sogar die Standard­theorie der Kernschalen modifiziert werden, weil auch hier Paareffekte für das eigenartige Verhalten verantwortlich sind. Aber auch die Kern­ober­fläche kann einen über­raschend starken Einfluss auf die Größe von Atom­kernen aufweisen. Wie laserspektroskopische Messungen der Atomkerngröße jenseits von Zinn-132 zeigen, steigt der Kernradius bei Isotopen, die schwerer sind als dieser doppelt magische Atomkern, auf einmal plötzlich an. Das sehr neutronen­reiche Nickel-78 mit 28 Protonen und 50 Neutronen ist ebenfalls ein doppelt magisches Isotop, wie seine sphärische Form auch belegt. Vermutlich ist es sogar der leichteste magische Kern mit fünfzig Neutronen, denn bislang war unklar, ob diese magische Zahl in extrem neutronen­reichen Kernen erhalten bleibt.

Manchmal liefern Experimente Ergebnisse, für deren Ermittlung sie gar nicht gedacht waren. Der Xenon1T-Detektor soll tief unter der Erde Teilchen der dunklen Materie aufspüren. Nun ließ sich dank der hervor­ragenden Abschirmung dieses Experiments aber ein äußerst seltener Vorgang bestimmen: der Zerfall des Radionuklids Xenon-124. Mit einer Halb­werts­zeit von 1,8 × 1022 Jahren – rund eine Billion Mal länger als das Alter des Universums – ist dieser Zerfall der seltenste je direkt in einem Labor beobachtete Prozess. Noch sehr viel langsamer müsste der neutrinolose doppelte Betazerfall sein. Mehr als das Zehnbilliardenfache des Alters unseres Universums müsste seine Halb­werts­zeit betragen, wie die Gerda-Kollaboration eben­falls bei Messungen im Unter­grund­labor von Gran Sasso heraus­gefunden hat.

Im Gegensatz zu diesen extrem seltenen und langsamen Prozessen soll eine Kernuhr sehr schnell und damit auch genau ticken. Damit könnten sie die Atomuhr als präzisesten Zeit­nehmer ablösen. Nach langen Vorberei­tungen ließ sich nun die Energie beim Zerfall eines angeregten Thorium-229-Kerns bestimmen, was einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Kernuhr darstellt. Aber nicht nur bei der künftigen Zeit­messung, sondern auch bei der Datierung lange zurück­liegender Ereignisse spielt Thorium eine Rolle. Mit Hilfe der neuartigen Uran-Thorium-Helium-Datierung konnten Forscher alte Asteroiden­fragmente im Meeres­boden zuordnen. Vor langer Zeit schlug ein Asteroid oder Komet in Nordost-Amerika ein und hinterließ in der Chesapeake Bay den größten Krater in den Vereinigten Staaten, was sich dank der neuen Methode in einem zeit­lichen Rahmen vor rund 35 Millionen Jahren datieren ließ.

Dirk Eidemüller

Weitere Infos:

D. Eidemüller: Neutronenreiche Kerne werfen sich in Schale – Jahresrückblick Kern- und Astro-/Teilchenphysik 2018, pro-physik.de, 2. Januar 2019

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