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Kernphysik: Innenstruktur von Protonen nachbarschaftsabhängig

Berylliumkern
Ein Experiment am Thomas Jefferson National Accelerator zeigte, dass die innere Struktur eines Protons in einem Atomkern durch die Nähe anderer Kernbausteine beeinflusst wird. Bisher machten Physiker die Masse und Dichte des gesamten Kerns dafür verantwortlich, dass die Bestandteile von Protonen, die Quarks, unterschiedliche Impulsverteilungen aufweisen.

Helium- und Berylliumkern | Abgebildet sind ein Helium-4-Kern (oben) sowie ein Berylliumkern (unten). Letzterer ist fast immer aus zwei sich umkreisenden Clustern, die je zwei Protonen und zwei Neutronen umfassen, sowie einem zusätzlichen Neutron aufgebaut.
Physiker um John Arrington vom Argonne National Laboratory im US-Bundesstaat Illinois haben diesen Effekt nun an einer Vielzahl von leichten Kernen – etwa verschiedenen Isotopen von Helium – untersucht. Demnach änderte sich die Protonenstruktur in Helium-4 viel stärker als in Helium-3, obwohl sich die beiden kaum in ihrem Gewicht unterscheiden. Ihre Ergebnisse würden ausschließen, dass der Effekt mit der Kernmasse skaliert, so die Forscher.

Des Weiteren verglichen sie die Quarkeigenschaften in Beryllium mit denen in verschiedenen anderen Atomkernen. Während Berylliumkerne eine ähnliche Masse wie die von Kohlenstoff aufweisen, besitzen sie nur eine halb so große Dichte. Arrington und sein Team fanden heraus, dass der Effekt dennoch in beiden Elementen ähnlich ist. Somit kann er nicht von der gesamten Kerndichte abhängen, schließen sie.

Stattdessen halten die Wissenschaftler den mikroskopischen Aufbau der Kerne für eine mögliche Ursache. Denn Beryllium ist fast immer aus zwei sich umkreisenden Clustern, die je zwei Protonen und zwei Neutronen umfassen, sowie einem zusätzlichen Neutron aufgebaut. In den beiden Clustern sind die Kernbausteine einer höheren Dichte, wenngleich auch nur lokal, ausgesetzt. Daher spekulieren Arrington und Kollegen, dass der Effekt ausschließlich in diesen engen Teilchenverbünden erzeugt wird.

Dieser Hypothese zufolge müsste sich die Impulsverteilung der Quarks ändern, sobald sich Protonen und Neutronen im Kern nahe kommen. In zukünftigen Messungen wollen die Physiker den Einfluss der nächsten Nachbarn im Atomkern des Deuteriums, der aus einem Proton und Neutron besteht, direkt untersuchen.

Der Vergleich von großen und kleinen Atomkernen offenbarte in den 1980er Jahren, dass die Impulse der Quarks in den Protonen und Neutronen darin sehr unterschiedlich verteilt sind. Das umgebende Kernmedium schien demnach einen Einfluss auf die innere Struktur der Nukleonen zu haben. Dieses Phänomen wird nach der Kollaboration, die es 1983 entdeckte, EMC-Effekt genannt. Möglicherweise könnte der Effekt dazu beitragen, die Kernkraft besser verstehen. (mp)

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