Hypertriton stärker gebunden als bisher angenommen

Einem internationalen Forschungsteam der A1-Kollaboration am Mainzer Mikrotron (MAMI) der Johannes Guten­berg-Uni­ver­si­tät Mainz (JGU) ist es gelungen, die Bindungsenergie des Hypertritons mit bislang unerreichter Genauigkeit zu bestimmen. Die Messung liefert entscheidende neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen Hyperonen und Nukleonen – einen bislang nur unzureichend verstandenen Aspekt der starken Kernkraft. Die Ergebnisse zeigen, dass das Hypertriton deutlich stärker gebunden ist, als viele frühere Experimente nahelegten.

Das Hypertriton ist der leichteste bekannte Hyperkern. Es handelt sich um ein künstlich erzeugtes Wasserstoffisotop, das neben einem Proton und einem Neutron ein sogenanntes Lambda-Hyperon enthält. Obwohl Hyperkerne nur für wenige hundert Billionstel Sekunden existieren, ermöglichen sie einzigartige Einblicke in die starke Kernkraft. Das Hypertriton spielt in diesem Zusammenhang eine Schlüsselrolle: Aus nur drei Teilchen bestehend eignet es sich ideal für präzise Tests theoretischer Modelle zur Hyperon-Nukleon-Wech­sel­wir­kung.

„Gerade weil das Hypertriton so einfach aufgebaut ist, hängen seine Eigenschaften empfindlich von den zugrunde liegenden Kernkräften ab“, erklärt Patrick Achenbach vom Institut für Kernphysik der JGU. „Unsere neue Messung zeigt klar, dass diese Kernkräfte stärker sind als lange angenommen – ein wichtiger Schritt zur Klärung eines jahrelangen Rätsels.“

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Seltsame Kerne

Um diese offenen Fragen gezielt zu untersuchen, wurde am MAMI ein umfassendes Hyperkern-Programm durchgeführt. Herzstück ist eine hochauflösende Drei-Spek­tro­meter-Anla­ge, die um ein speziell für Hyperkernexperimente entwickeltes viertes Spektrometer ergänzt wurde. Diese einzigartige Kombination ermöglicht eine Messgenauigkeit, die international Maßstäbe setzt.

Bereits frühere Experimente am MAMI hatten gezeigt, dass sich die Massen von Hy­per­was­ser­stoff-4 und Hyperhelium-4 überraschend stark unterscheiden – ein Hinweis auf bislang unzureichend verstandene Kernkräfte. Für die nun veröffentlichte und im Jahr 2022 durchgeführte Messung des Hypertritons wurde die Apparatur weiter optimiert, unter anderem durch den Einsatz eines neu entwickelten Lithium-Targets, auf das der Elektronenstrahl gelenkt wird. Es weist eine unübliche lange und schmale Form auf, so dass es in Richtung der hochauflösenden Spektrometer nur zu minimalen Energieverlusten der Teilchen kommt. So konnte mit hoher Genauigkeit die Energie des Pions bestimmt werden, das beim Zerfall des Hypertritons entsteht. Diese Messung liefert die entscheidende Grundlage, um die Bindungsenergie des Hyperkerns genau zu bestimmen. Durch den direkten Vergleich mit dem Zerfall des bereits sehr genau vermessenen Hy­per­was­ser­stoffs-4 gelang eine außergewöhnlich präzise Kalibrierung des Experiments. Die Datenauswertung erfolgte in enger Zusammenarbeit mit japanischen Partnern, insbesondere im Rahmen der Doktorarbeit von Ryoko Kino von der Universität Tohoku, die für ihre Arbeiten mehrfach ausgezeichnet wurde.

Die neue Studie reiht sich in die Spitzenergebnisse großer internationaler Experimente wie ALICE am CERN und STAR am Beschleuniger RHIC auf Long Island ein. Die gemessene Bindungsenergie liegt deutlich über einigen früheren Emulsions- und Schwerionenmessungen, stimmt jedoch gut mit den jüngsten STAR-Daten überein. Dies deutet auf eine stärkere Wechselwirkung zwischen dem Lambda-Hyperon und dem übrigen Kern des Wasserstoffs hin als bislang angenommen.

Die Resultate setzen neue Grenzen für theoretische Modelle der starken Wechselwirkung und beeinflussen auch die Diskussion um exotische Systeme wie einen hypothetischen Lambda-Neutron-Neutron-Kern. Zugleich tragen sie wesentlich zur Auflösung des lang diskutierten „Hypertriton Puzzles“ bei, das aus widersprüchlichen früheren Messungen entstanden war.

Das sichtbare Universum besteht überwiegend aus Wasserstoff, dem leichtesten und einfachsten Element des Periodensystems. Die Kerne stabiler Wasserstoffatome bestehen entweder nur aus einem Proton oder aus einem Proton-Neutron-Paar. Bindet man daran statt eines weiteren Neutrons einen exotischen Kernbaustein wie ein Hyperon, entstehen Hyperwasserstoffe – faszinierende, kurzlebige Systeme, die bis heute nicht vollständig verstanden sind.

Die einzigartige Infrastruktur an MAMI hat entscheidende Fortschritte im Studium dieser Systeme ermöglicht und liefert neue Impulse für das Verständnis der fundamentalen Kräfte in Atomkernen. Dazu trägt auch die von der Mainzer Arbeitsgruppe betriebene Hyperkern-Datenbank hypernuclei.kph.uni-mainz.de bei, die weltweit als Referenz für den Vergleich von Hyperkernmessungen dient. [JGU / dre]