Heliumkerne in schweren Atomkernen entdeckt

Die Kenntnis der Eigenschaften von Atomkernen und deren theoretische Beschreibung bilden die Grundlage für das Verständnis von Kernmaterie sowie der Entwicklung des Universums. Die Unter­suchung der Eigen­schaften ausgedehnter Kernmaterie, wie sie zum Beispiel in Neutronen­sternen im Universum vorliegt, kann experi­mentell im Labor nur über Kern­reaktionen erfolgen, die wichtige Information über die Eigen­schaften von Kernen liefern. Die in Experi­menten gewonnenen Erkennt­nisse werden wiederum zum Test von Theorien zur Beschreibung von Kernmaterie unter verschiedenen Bedingungen heran­gezogen.

Einige Theorien sagen voraus, dass leichte Kerne wie Helium­kerne mit Neutronen und Protonen in Kernmaterie koexistieren. Das sollte in einem Dichte­bereich erfolgen, der deutlich unter­halb der Sättigungs­dichte von Kernmaterie liegt, wie sie im Innern von schweren Atomkernen vorliegt. Eine an der TU Darmstadt und am GSI Helmholtz­zentrum für Schwer­ionen­forschung von Stefan Typel entwickelte Theorie sagt voraus, dass diese Konden­sa­tion von Helium­kernen auch an der Oberfläche von Atom­kernen auftreten sollte.

In einem Experiment am Research Center for Nuclear Physics in Osaka konnte ein inter­nationales Forscher­team jetzt Heliumkerne in verschiedenen Zinn-Isotopen nach­weisen und die Entwicklung der Wahr­schein­lich­keit für ihre Formierung entlang der Zinn-Isotopen­kette studieren. Dazu haben die Wissen­schaftler Zinn-Isotope mit hoch­energe­tischen Protonen bestrahlt. Dabei konnte das Team eindeutig gestreute Protonen und heraus­ge­schlagene Heliumkerne nachweisen.

Eine genaue Analyse zeigte, dass es sich um eine direkte quasi-elastische Streuung der Protonen an Helium­kernen in Zinn­kernen handelt. Die ermittelten Wirkungs­quer­schnitte für verschiedenen Zinn-Isotope zeigen zudem, dass die Wahr­schein­lich­keit für die Bildung von Helium­kernen deutlich mit dem Neutronen­über­schuss der Kerne abnimmt. Das bestätigt auf beein­druckende Weise die Vorhersage der Theorie.

Diese neue Erkenntnis, die weit­reichende Konsequenzen für unser Verständnis von Kernen und Kernmaterie hat, soll nun genauer unter­sucht werden: In experi­men­tellen Programmen an den Beschleuniger­anlagen des Research Center for Nuclear Physics und dem Forschungs­zentrum RIKEN in Japan, sowie an der neuen FAIR-Anlage in Darmstadt bei der GSI sollen insbesondere auch kurz­lebige neutronen­reiche Kerne studiert werden.

TU Darmstadt / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Tanaka et al.: Formation of α clusters in dilute neutron-rich matter, Science 371, 260 (2021); DOI: 10.1126/science.abe4688
• Experimentelle Kernphysik mit exotischen Ionenstrahlen (T. Aumann), Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt
• GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt
• Research Center for Nuclear Physics, Osaka, Japan