Rätselhafte Größe leichter Kalzium-Isotope

Da alle Atomkerne eine nahezu konstante Dichte in ihrem Inneren aufweisen, erwartet man, dass die Größe eines Atomkerns mit der Anzahl seiner Konstituenten kontinuierlich anwächst. Besonders genau messen kann man die Ladungs­radien der Kerne, also die mittlere Ausdehnung ihrer Ladungs­verteilung, entlang einer Isotopen­kette. Von den stabilen Kernen ausgehend, bei denen Protonen und Neutronen in einem ausgewogenen Verhältnis stehen, gelangt man durch Hinzufügen oder Entnehmen von Neutronen zu neutronen­reichen oder protonen­reichen Kernen. Dabei stellt man allerdings fest, dass die Radien in einer viel komplexeren Weise variieren, als man es nach diesem einfachen Bild erwartet.

Von speziellem Interesse sind in diesem Zusammenhang die Kalzium-Isotope. Die beiden Isotope ⁴⁰Ca und ⁴⁸Ca besitzen praktisch den gleichen Radius, dazwischen verändern sich die Radien in einem charakteristischen Zick-Zack-Muster, und ⁵²Ca besitzt einen überraschend großen Radius, wie sich bereits in früheren Untersuchungen zeigte. Obwohl dieses Muster von bestehenden Theorien teilweise reproduziert werden konnte, sind doch viele der existierenden Theorien kaum in der Lage, die komplexen Größen­schwankungen der Ladungs­radien zu erklären. Unterhalb des leichtesten stabilen Isotops ⁴⁰Ca war nur der Ladungs­radius von ³⁹Ca bekannt, da es sehr schwierig ist, die protonenreichen Isotope zu produzieren.

Der Radius eines Kalziumkerns ist winzig klein, etwa 3,5 Femtometer, und die zu messenden Variationen sind noch einmal zweihundert Mal kleiner. Hinzu kommt, dass die protonen­reichen Isotope sehr kurzlebig sind. ³⁶Ca existiert beispielsweise nur für eine Zehntel­sekunde. Die winzigen Veränderungen ihrer Ladungs­radien konnten nun mit einer empfindlichen Methode der Laser­spektro­skopie am BECOLA-Experiment des National Super­conducting Cyclotron Laboratory an der Michigan State University in den USA erstmals gemessen werden. Forscher der TU Darmstadt um Wilfried Nörtershäuser haben zu dem Experiment die von Bernhard Maaß entworfene Nachweis­region beigesteuert, in der das Fluoreszenz­licht der seltenen Kalzium-Isotope detektiert wurde. Dieses sehr effiziente System war ausschlag­gebend für die erfolg­reiche Messung des Ladungs­radius des exotischsten der untersuchten Isotope ³⁶Ca, das mit einer Rate von nur fünfzig Atomen pro Sekunde erzeugt wird.

In der Untersuchung wurden die Ladungs­radien dreier protonen­reicher Kerne mit den Massen­zahlen A=36, 37, 38 erstmals gemessen. Diese stellten sich als viel kleiner heraus als von theoretischer Seite vorher­gesagt und sind erneut eine Heraus­forderung für die Theorie. Es gelang der Forscher­gruppe, durch eine Anpassung des theoretischen Modells, die speziell diese neuen Daten im Blick hatte, eine deutlich verbesserte Beschreibung entlang der gesamten Isotopen­kette von ³⁶Ca bis ⁵²Ca zu erzielen. Dieser Erfolg ist einem besseren Verständnis der speziellen Weise, in der die Protonen außerhalb des kompakten Kerns in vergleichsweise großen Abständen von der Kern­ober­fläche miteinander in Wechsel­wirkung treten, zuzuschreiben. Dazu muss man wissen, dass die Dichte der Protonen am Kernrand nicht schlagartig auf null abfällt, sondern über eine endliche Distanz abklingt. Obwohl man in den äußeren Bereichen nur wenige Protonen antrifft, hat deren Verhalten aufgrund des großen Abstandes vom Zentrum offenbar einen signifikanten Einfluss auf den mittleren Ladungs­radius. Das verbesserte Verständnis an dieser Stelle wird einen großen Einfluss auf die weitere Entwicklung globaler Kern­modelle haben.

TU Darmstadt / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. J. Miller et al.: Proton superfluidity and charge radii in proton-rich calcium isotopes, Nat. Physics, online 11. Februar 2019; DOI: 10.1038/s41567-019-0416-9
• Experimentelle Atom- und Kernphysik radioaktiver Nuklide (W. Nörtershäuser), Institut für Kernphysik, Technische Universität Darmstadt
• BECOLA – Beam Cooling and Laser Spectroscopy, National Superconducting Cyclotron Laboratory, Michigan State University, USA