Überraschung an der Abbruchkante

Überraschung an der Abbruchkante

Aluminium-42-Kerne sollten nach allen bisherigen Theorien nicht existieren. Doch jetzt gelang es, solche Atomkerne und zwei weitere bislang unentdeckte neutronenreiche Atomkerne nachzuweisen.

Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten werden. Neben rund 300 Arten von stabilen Kernen kennt man über 2500 instabile Isotope, zu denen noch etwa 5000 hinzukommen könnten. Diese Dunkelziffer rührt daher, dass man oftmals nicht weiß, ob für eine bestimmte Zahl von Protonen und Neutronen ein Atomkern existiert. Das kann zu Überraschungen führen, wie jetzt die Entdeckung der neutronenreichen Kerne ⁴⁰Mg und ⁴²Al zeigt.

Ein Kern mit einer festen Protonenzahl Z kann nicht eine beliebige Zahl N von Neutronen aufnehmen. Ist die von Z abhängige maximale Neutronenzahl erreicht, dann liegt der Kern an der „Neutronenabbruchkante“ oder „Neutron Drip Line“: Kommt ein weiteres Neutron hinzu, so wird es nicht mehr an den Kern gebunden sondern trennt sich umgehend (in weniger als 10 ^–22 s) wieder von ihm, weil es die Bindungsenergie des Atomkerns nicht vergrößern kann. Die Lage der Abbruchkante ließe sich also im Prinzip dadurch ermitteln, dass man die Bindungsenergien der Kerne (Z,N) und (Z,N+1) berechnet und miteinander vergleicht.

Doch leider sind die Verhältnisse im Atomkern so unübersichtlich, dass man die jeweilige Bindungsenergie nicht exakt mithilfe der Quantenchromodynamik berechnen kann sondern auf Näherungsverfahren angewiesen ist. Im Allgemeinen sind die eingesetzten Verfahren sehr zuverlässig, doch gerade an der Abbruchkante liefern sie bisweilen recht unterschiedliche Ergebnisse. Nach der einen Berechnung sollte z. B. der Kern ⁴³Al nahe der Drip Line existieren, nach der anderen hingegen nicht. Für ⁴²Al sagen jedoch verschiedene Verfahren übereinstimmend die Nichtexistenz voraus. Diese Vorhersagen haben Thomas Baumann und seine Kollegen von der Michigan State University jetzt erstmals überprüft.

Dazu beschleunigten die Forscher neutronenreiche Kalzium-48-Kerne auf eine Energie von 141 MeV pro Nukleon und ließen sie auf ein knapp millimeterdickes Wolframplättchen prallen. Die dabei entstehenden Bruchstücke wurden mittels elektrischer und magnetischer Felder nach Masse und Ladung getrennt und mit Detektoren einzeln nachgewiesen, bevor sie radioaktiv zerfielen. Auf diese Weise hatten die Forscher zusammen mit Oleg Tarasov vom Flerov Laboratorium in Dubna Anfang des Jahres erstmals den Kern ⁴⁴Si entdeckt, der 16 Neutronen mehr enthielt als der natürliche Siliziumkern. Die Berechnungen hatten über die Existenz dieses Kerns keine eindeutigen Aussagen machen können.

In ihrem aktuellen Experiment haben Baumann und seine Kollegen mehr als eine Woche lang Kernbruchstücke erzeugt und nach neutronenreichen Magnesium- und Aluminiumkernen durchforstet. Dabei entdeckten sie drei (!) Exemplare des ⁴⁰Mg-Kerns, nicht aber den ³⁹Mg-Kern – beides in Einklang mit den übereinstimmenden Vorhersagen unterschiedlicher Berechnungen. Da beim ⁴⁰Mg sowohl Z als auch N gerade sind, können sich die Protonen und die Neutronen paaren und dadurch die Stabilität des Kerns erhöhen. Bei ³⁹Mg ist N=27, so dass eine Neutronenpaarung nicht möglich ist und, wie es scheint, der Kern nicht existiert.

Die große Überraschung gab es jedoch im Falle des Aluminiums. Hier entdeckten die Forscher zweifelsfrei ⁴²Al, und zwar in 23 Exemplaren. Dieser Kern mit ungerader Protonen- und Neutronenzahl sollte nach allen bisherigen Berechnungen eigentlich nicht existieren! Dass er doch vorhanden ist, regt Baumann und seine Kollegen zu weitreichenden Spekulationen an. Sie vermuten, dass auch die nachfolgenden Kerne ⁴³Al, ⁴⁴Al und ⁴⁵Al existieren, da bei ihnen die hinzukommenden Neutronen ein bestimmtes Orbital auffüllen und dadurch den Kern stabilisieren. Tatsächlich fanden die Forscher ein Exemplar von ⁴³Al, das in dieses Bild passt. Um die Existenz von ⁴³Al zweifelsfrei nachzuweisen, wollen sie noch weitere „Ereignisse“ sammeln.

Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass die neutronenreichen radioaktiven Aluminiumisotope etwas „stabiler“ sind als die entsprechenden Magnesiumisotope. Die Neutronenabbruchkante liegt folglich für Aluminium bei deutlich größeren Neutronenzahlen als für Magnesium. Die genaue Verortung der Abbruchkante in diesem Bereich der Nuklidkarte könnte sich deshalb wesentlich schwieriger gestalten als erwartet und auch für die kommende Generation von Kernforschungsanlagen unerreichbar bleiben.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  T. Baumann et al.: Discovery of ⁴⁰Mg and ⁴²Al suggests neutron drip-line slant towards heavier isotopes. Nature 449, 1022 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06213
• Thomas Baumann an der Michigan State University:
  http://www.nscl.msu.edu/~baumann/
• Isotope Science Facility at Michigan State University:
  www.nscl.msu.edu/isf