Doppelgammazerfall unter Konkurrenz

Physikern der TU Darmstadt ist es erstmals gelungen, einen extrem seltenen radioaktiven Zerfall zu beobachten. Das Außergewöhnliche dabei: Dieser sogenannte Doppel­gamma­zerfall eines angeregten Kernzustandes, der einen Prozess höherer Ordnung darstellt, findet statt, obwohl der Prozess erster Ordnung nicht durch Energie- und Impulserhaltung oder quantenmechanische Auswahl­regeln verboten ist.

Ein Team um Privatdozent Heiko Scheit und die Professoren Norbert Pietralla und Thomas Aumann vom Institut für Kernphysik hat dieses äußerst schwer beobachtbare radioaktive Phänomen nachgewiesen. Normalerweise ähnelt Radioaktivität einer Geburt: Ein Atomkern bringt ein Teilchen oder ein Photon zur Welt. Äußerst selten gebiert ein Atomkern Zwillinge: Zum exakt gleichen Zeitpunkt kommen zwei identische Teilchen oder Photonen aus dem Atomkern heraus. Dies war bisher nur für den Doppelbeta­zerfall und für den Doppelgamma­zerfall bekannt. Diesen Prozess hatte die spätere Nobelpreisträgerin Maria Göppert-Mayer schon 1930 vorhergesagt. Beim Aussenden eines Photons vollzieht der Kern einen Quantensprung und verliert dabei Energie. Diese Energie trägt das ausgesendete Photon vom Kern weg. In sehr seltenen Fällen, so sagte Göppert-Mayer vorher, verteilt sich die Energie auf zwei simultan ausgesendete Photonen im sogenannten Zwei­photonen­zerfall.

Scheit erklärt, dass Prozesse mit zwei Photonen, also nicht nur der Zerfall, sondern auch die Anregung eines Atoms in der Atomphysik inzwischen standardmäßig beobachtet und angewandt werden. Allerdings gelang es in der Kernphysik bisher nur in drei sehr speziellen Fällen, den Doppel­gamma­zerfall nachzuweisen, nämlich in Fällen, wo der einfache Gammazerfall durch quanten­mechanische Auswahlregeln verboten ist. Wenn der einfache Gammazerfall erlaubt ist, wurde dieser Prozesse bisher noch nie beobachtet.

„Seit den 1980er Jahren blieben alle Versuche, den Doppel­gamma­zerfall in Konkurrenz zu dem gewöhnlichen einfachen Gamma­zerfall nachzuweisen, erfolglos“, sagt Pietralla. Zwar gibt es Apparaturen, die Photonen nur dann registrieren, wenn sie gleichzeitig entstehen. Weil aber in den untersuchten Proben sehr viele Atomkerne gleichzeitig zerfallen, ging das eigentlich gesuchte Phänomen, wenn nämlich die Zwillings­photonen aus demselben Kern kommen, in der Masse unter. Außerdem kann es vorkommen, dass ein Photon vom ersten Detektor registriert wird und durch einen Streuprozess mit Licht­geschwindigkeit binnen weniger Nanosekunden zum zweiten Detektor gelangt, um dort ein zweites Mal detektiert zu werden. Auch das täuscht einen Zwilling vor.

Die Darmstädter Forscher lösten beide Probleme mit neu entwickelten, von der Deutschen Forschungs­gemeinschaft finanzierten Gamma­strahlungs­detektoren. Das Besondere an diesen Geräten: Sie können nicht nur die Energie eines Photons sehr genau bestimmen. Sie erkennen zudem Zeitunterschiede von einigen Hundert Pikosekunden. Walz und seine Kollegen bauten einen Ring aus mehreren dieser Detektoren, in dessen Mitte sie eine Substanz platzierten, die Gammastrahlung genau bestimmter Energie abgibt.

Die Detektoren sprachen an, wenn sie innerhalb eines sehr engen Zeitfensters von wenigen Nanosekunden zwei Photonen registrierten, die zusammen die Energie des Quanten­sprungs haben. Tatsächlich fanden sie auf diese Weise die Zwillings­photonen. „Sie entstehen etwa bei jedem millionsten Gamma-Zerfall“, sagt Pietralla. Weil das Zeitfenster kleiner ist als die Zeit, die ein gestreutes Photon benötigt, um mit Licht­geschwindigkeit von einem Detektor zum andern zu kommen, konnten die Physiker ausschließen, dass ihre Messung ein Artefakt ist. Mithilfe seines Kollegen Vladimir Ponomarev konnte Walz die Messwerte auch quantitativ anhand eines theoretischen Modells erklären.

TU Darmstadt / DE