Kernphysik: Wenn Atomkerne zu fett werden
Alten Damen wird nachgesagt, sie würden gerne ihre Schoßhündchen überfüttern. Ähnlich mästen auch Physiker die Atome in ihren Teilchenbeschleunigern. Mit dem Unterschied, dass die Wissenschaftler danach ihre fetten Kerne mit Wucht gegen eine Wand schießen.
© spektrumdirekt (Ausschnitt)
Im gesunden Zustand ist Lithium mit seinen drei Protonen und drei oder vier Neutronen im Kern unauffällig schlank. Von sich reden macht das Element höchstens gelegentlich, wenn mal wieder die Diskussion über einen zukünftigen Kernfusionsreaktor bis auf die atomare Ebene gelangt. Darin soll Lithium-6, das in dieser Isotop-Variante drei Neutronen besitzt, unter Neutronenbeschuss zu Helium und dem begehrten Tritium zerfallen. Mithin eine Art Tritiumkonserve, die als Brennstofflieferant der Fusionskraftwerke einer großen Zukunft harrt.
Lithium kann aber auch anders aussehen. Quasi als Folge der Wohlstandsgesellschaft – denn nur eine solche kann es sich leisten, künstliche Atomkerne zu produzieren – legt es an Masse und Umfang zu. Und zwar ordentlich. Fettleibiges Lithium-11 ist so dick, dass sein Kern die Ausmaße von Blei-Kernen erreicht. Es ist mit den acht Neutronen bis über die Grenze des physikalisch Akzeptablen überladen und bekommt die Teilchen nicht mal alle richtig in seinem Inneren untergebracht. Zwei der Neutronen wabern um den eigentlichen Kern herum, wo sie etwas ähnliches wie eine "Atmosphäre" bilden, weshalb Physiker von einem Halo-Kern sprechen.
Nun ist Lithium-11 nicht der einzige bekannte Halo-Kern, dafür aber der größte und zerbechlichste und somit bevorzugtes Objekt neugieriger Wissenschaftler, die zu gerne wüssten, was den unschönen Rettungsring am Pummelchen hält. Keine leichte Aufgabe, denn zwei Neutronen und ein Kern ergeben in der Summe drei Teilchen – und mit dem Dreikörperproblem tun theoretische Physiker sich schon aus Prinzip schwer. Egal, ob Planeten, Kleinkinder oder Atomfragmente – das Verhalten dreier Körper, die einander beeinflussen, ist analytisch nicht vorherzusagen. Eltern und andere Jongleure wissen das.
Wenn's mit Papier und mehrkerniger Workstation nichts wird, weichen Physiker notgedrungen auf schnödes Experimentieren aus, und das bedeutet bei Atomen: Wir knallen das Ding gegen eine Wand und sehen nach, was mit den Trümmern passiert. Kein schlechter Gedanke, doch abermals stellt Lithium-11 sich quer. Der Wonneproppen ist offenbar sensibel und zerfällt mitunter bereits vor dem Ziel. Unter solchen Umständen gelangen bislang kaum brauchbare Messungen, die etwas über das Kräftespiel auf subatomarer Ebene verrieten.
Bis ein japanisches Team unter der Leitung von Takashi Nakamura vom Tokyo Institute of Technology sich des Dickmanns annahm. Vor allem zwei Verbesserungen führten die Forscher bei ihren Versuchen ein: Sie stellten zwei statt einer Phalanx von Neutronendetektoren auf, damit ihnen auch ganz sicher kein abgesprengtes Neutron entwischte. Und sie sorgten dafür, dass nicht ein einzelnes Elektron auf seltsamen Wegen zwei Signale auslösen konnte.
Der Lohn ihrer Mühe war ein deutlicher Zacken auf ihrer Messkurve. Bei einer aufgenommenen Energie von 0,6 Megaelektronenvolt flogen bei Lithium-11 bereits die ersten Stücke davon. Kein normaler Atomkern würde unter diesen Umständen bereits zerbrechen, so empfindlich sind nur Halo-Kerne. Damit war dieser Wert zum ersten Mal so genau bestimmt, dass er für theoretische Berechnungen ausreichte. Mit deren Hilfe bestätigte sich denn auch der Verdacht mancher Teilchenphysiker: Zwischen den beiden Halo-Neutronen herrscht die starke Wechselwirkung. Dabei handelt es sich um eine der fundamentalen Naturkräfte, die ausschließlich Kernteilchen zusammenhält. Und zwar umso stärker, je weiter sie sich voneinander entfernen. Wie ein Gummiband nimmt die Kraft mit steigender Distanz zu – bis sie irgendwann reißt.
Die Geheimnisse der übergewichtigen Halo-Kerne sind durch diese Ergebnisse längst nicht alle geklärt. Aber immerhin ist ein Weg gefunden, das theoretisch unlösbare Drei-Körper-Problem für diese Exoten praktisch zu umgehen. Auch wenn das natürlich keine befriedigende Antwort auf die Frage ist: Wozu um alles in der Welt stellt man überhaupt so dicke Kerne her?
Lithium kann aber auch anders aussehen. Quasi als Folge der Wohlstandsgesellschaft – denn nur eine solche kann es sich leisten, künstliche Atomkerne zu produzieren – legt es an Masse und Umfang zu. Und zwar ordentlich. Fettleibiges Lithium-11 ist so dick, dass sein Kern die Ausmaße von Blei-Kernen erreicht. Es ist mit den acht Neutronen bis über die Grenze des physikalisch Akzeptablen überladen und bekommt die Teilchen nicht mal alle richtig in seinem Inneren untergebracht. Zwei der Neutronen wabern um den eigentlichen Kern herum, wo sie etwas ähnliches wie eine "Atmosphäre" bilden, weshalb Physiker von einem Halo-Kern sprechen.
Nun ist Lithium-11 nicht der einzige bekannte Halo-Kern, dafür aber der größte und zerbechlichste und somit bevorzugtes Objekt neugieriger Wissenschaftler, die zu gerne wüssten, was den unschönen Rettungsring am Pummelchen hält. Keine leichte Aufgabe, denn zwei Neutronen und ein Kern ergeben in der Summe drei Teilchen – und mit dem Dreikörperproblem tun theoretische Physiker sich schon aus Prinzip schwer. Egal, ob Planeten, Kleinkinder oder Atomfragmente – das Verhalten dreier Körper, die einander beeinflussen, ist analytisch nicht vorherzusagen. Eltern und andere Jongleure wissen das.
Wenn's mit Papier und mehrkerniger Workstation nichts wird, weichen Physiker notgedrungen auf schnödes Experimentieren aus, und das bedeutet bei Atomen: Wir knallen das Ding gegen eine Wand und sehen nach, was mit den Trümmern passiert. Kein schlechter Gedanke, doch abermals stellt Lithium-11 sich quer. Der Wonneproppen ist offenbar sensibel und zerfällt mitunter bereits vor dem Ziel. Unter solchen Umständen gelangen bislang kaum brauchbare Messungen, die etwas über das Kräftespiel auf subatomarer Ebene verrieten.
Bis ein japanisches Team unter der Leitung von Takashi Nakamura vom Tokyo Institute of Technology sich des Dickmanns annahm. Vor allem zwei Verbesserungen führten die Forscher bei ihren Versuchen ein: Sie stellten zwei statt einer Phalanx von Neutronendetektoren auf, damit ihnen auch ganz sicher kein abgesprengtes Neutron entwischte. Und sie sorgten dafür, dass nicht ein einzelnes Elektron auf seltsamen Wegen zwei Signale auslösen konnte.
Der Lohn ihrer Mühe war ein deutlicher Zacken auf ihrer Messkurve. Bei einer aufgenommenen Energie von 0,6 Megaelektronenvolt flogen bei Lithium-11 bereits die ersten Stücke davon. Kein normaler Atomkern würde unter diesen Umständen bereits zerbrechen, so empfindlich sind nur Halo-Kerne. Damit war dieser Wert zum ersten Mal so genau bestimmt, dass er für theoretische Berechnungen ausreichte. Mit deren Hilfe bestätigte sich denn auch der Verdacht mancher Teilchenphysiker: Zwischen den beiden Halo-Neutronen herrscht die starke Wechselwirkung. Dabei handelt es sich um eine der fundamentalen Naturkräfte, die ausschließlich Kernteilchen zusammenhält. Und zwar umso stärker, je weiter sie sich voneinander entfernen. Wie ein Gummiband nimmt die Kraft mit steigender Distanz zu – bis sie irgendwann reißt.
Die Geheimnisse der übergewichtigen Halo-Kerne sind durch diese Ergebnisse längst nicht alle geklärt. Aber immerhin ist ein Weg gefunden, das theoretisch unlösbare Drei-Körper-Problem für diese Exoten praktisch zu umgehen. Auch wenn das natürlich keine befriedigende Antwort auf die Frage ist: Wozu um alles in der Welt stellt man überhaupt so dicke Kerne her?
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