Schrumpfkerne

News: Schrumpfkerne

Atomkerne sind ohnehin schon winzig, und trotzdem scheint es etwas zu geben, das sie noch weiter schrumpfen lässt: das Lambda-Teilchen. Dieser bizarre Vertreter des Teilchenzoos schert sich nicht um die Neutronen und Protonen in einem Lithium-Atomkern und wandert schnurstracks in dessen Mitte. Dort zieht und zerrt es an allen Bewohnern des Kerns und komprimiert ihn so ein bisschen - ein Effekt, den Forscher schon lange voraussagten, nun aber offenbar auch erstmals messen konnten.

Thorsten Krome

Atomkerne sind klein, sehr klein – geradezu winzig, betrachtet man das ganze Atom mit seiner Hülle. Ihr Durchmesser liegt gerade mal bei etwa einem Zehntausendstel des Atomdurchmessers, also zwischen 10^-15 und 10^-14 Metern. Und damit ist noch nicht Schluss.

Schon 1983 sagten Theoretiker vorher, dass ein Lambda-Teilchen einen Lithiumkern schrumpfen lässt, wenn es sich in diesem aufhält. Das sonderbare Teilchen ist im Prinzip ein Neutron, bei dem ein Strange-Quark eines der beiden Down-Quarks ersetzt. Da es sich bei ihm also weder um ein Proton noch um ein Neutron handelt, darf es sich ungehindert im Atomkern bewegen und einen Platz seiner Wahl einnehmen, denn um das Pauli-Verbot braucht es sich nicht zu kümmern. Normalerweise beschränkt dieses fundamentale Prinzip, das Wolfgang Pauli in den zwanziger Jahren aufstellte, die Zahl gleicher Kernbausteine an einem Ort und bestimmt damit auch die Größe eines Kerns. Da das Lambda-Teilchen hiervon nicht betroffen ist, darf es in die Mitte des Kerns wandern, wo es aufgrund seiner hohen Bindungsenergie die anderen Kernbausteine an sich zieht. Fast zwanzig Jahre hatte es gebraucht, diese Vorhersage nun auch experimentell zu bestätigen.

Kiyoshi Tanida von der Tokyo University gelang nun mit seinen Kollegen der Nachweis des Phänomens. Die Forscher feuerten in ihrem Experiment Pionen auf ein Probe aus Lithium, um so einen Kern mit Lambda-Teilchen herzustellen. Pionen sind instabile Mitglieder der Familie der Mesonen; sie sind Bestandteil der kosmischen Strahlung und können auch künstlich bei hochenergetischen Streuprozessen entstehen.

Die Wissenschaftler stellten nun die Lebensdauer des angeregten Lithiumkerns fest, indem sie das Spektrum der Gammastrahlung maßen, während er zerfiel. "Die Lebensdauer hängt sehr empfindlich von der Größe des Kerns ab", erklärt Tanida und daraus lässt sich indirekt die Größe bestimmen.

Die Aufnahme des Gammaspektrums war die eigentliche Herausforderung des Experiments. Denn die Strahlung, die der Kern in alle Richtungen aussendete, musste sehr genau gemessen werden. Dazu nutzten die Forscher ein Messgerät, das aus 14 hochauflösenden, kugelförmig angeordneten Germanium-Detektoren bestand – den so genannten Hyperball.

So konnte das Team messen, dass das Lambda-Teilchen keinen Platz im Kern verbrauchte, der sogar um weitere 19 Prozent geschrumpft war – ganz wie vorausgesagt. Noch ist Tandia aber vorsichtig, denn die Größenbestimmung über die Lebensdauer ist nicht hundertprozentig korrekt. "Es gibt da noch andere Dinge, welche die Lebensdauer beeinflussen können, wie beispielsweise ein verformter Kern", erklärt er. John Millener vom Brookhaven National Laboratory zeigt sich hingegen optimistisch: Er meint, dass die Experimente mit Gammastrahlen Kernphysikern durchaus zu verstehen helfen, wie bizarre Bestandteile wie das Lambda-Teilchen Größe, Form und kollektive Bewegung des Kerns beeinflussen.