Unerwartetes Verhalten schwerer Atomkerne

Warum verhält sich der Atomkern von Blei so anders als jeder andere Atomkern, wenn er von Elektronen getroffen wird? Ein Team von Physikerinnen und Physikern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat einen wichtigen Schritt zur Beantwortung dieser Frage unternommen – um dann festzustellen, dass das Rätsel noch komplexer ist als bislang angenommen.

Experimenteller Aufbau in der A1-Spektrometerhalle des Instituts für Kernphysik der JGU (©:

Quelle: JGU / Alexander Sell

Ein gut getestetes Merkmal der Elektronenstreuung ist, dass eine Umkehr des Spins der einfallenden Elektronen das Streuverhalten geringfügig verändern sollte – ein Effekt, der durch den Austausch zweier virtueller Photonen zwischen dem Elektron und dem Atomkern verursacht wird. Für die meisten Kerne sagt die Theorie exakt voraus, wie groß dieser winzige Effekt sein sollte, und Experimente über Jahrzehnte hinweg haben diese Vorhersagen bestätigt. Blei hat sich hier jedoch immer von anderen Elementen unterschieden. Frühere Messungen an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums haben gezeigt, dass dieser spinabhängige Effekt bei Blei vollständig zu verschwinden scheint – ein Ergebnis, das keine bestehende Theorie erklären kann.

In einem neuen Experiment mit den hochauflösenden A1-Spektrometern am Mainzer Mikrotron (MAMI) hat das JGU-Team denselben Prozess bei einer anderen Strahlenergie und einem anderen Streuwinkel gemessen. Diesmal war der Effekt eindeutig vorhanden und überraschend groß. Anstatt die frühere Anomalie aufzuklären, verschärft die neue Messung sie noch: Das Verhalten des Bleikerns ändert sich mit der Energie drastisch – und zwar in einer Weise, die die aktuelle Theorie nicht erfasst.

„Dieses Ergebnis bestätigt, dass das Rätsel real ist“, sagt Concettina Sfienti, die das Projekt leitet. „Das bedeutet, dass es unerforschte physikalische Phänomene gibt, wie Elektronen mit schweren Kernen interagieren, und dass wir neue theoretische Ansätze brauchen, um sie zu verstehen.“

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Das Experiment wurde im von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereich 1660, „Hadronen und Kerne als Entdeckungsinstrumente“, durchgeführt. Ein zentrales Ziel dieses SFB ist es, mithilfe von Präzisionsexperimenten subtile Effekte in der Kernstruktur aufzudecken, die neue Einblicke in das Standardmodell der Teilchenphysik ermöglichen könnten. Das unerwartete Verhalten von Blei entwickelt sich dabei zu einem der faszinierendsten Beispiele des Forschungsverbunds – ein eindrucksvoller Beleg dafür, wie hochpräzise Messungen selbst in einer gut etablierten Theorie Lücken aufdecken können.

Die Ergebnisse haben zudem weitreichende Bedeutung für das zukünftige P2-Experiment am neuen MESA-Beschleuniger, der derzeit auf dem Mainzer Campus als Teil des Exzellenzclusters PRISMA++ aufgebaut wird. An MESA werden extrem kleine Effekte in der Elektronenstreuung gemessen, um das Standardmodell mit bislang unerreichter Genauigkeit zu testen. Zum Erreichen der bei P2 erforderlichen Präzision ist es von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, welche Rolle der Zwei-Photonen-Austausch in schweren Atomkernen spielt – wie beim nun beobachteten überraschenden Verhalten von Blei. „Mit diesem neuen Ergebnis von MAMI gewinnen wir ein deutlich klareres Bild davon, was verstanden werden muss, bevor wir die nächste Präzisionsstufe bei MESA erreichen“, erklärt Sfienti. „Was wir heute messen, prägt direkt den Fahrplan für die Hochpräzisionsphysik von morgen.“ [U Mainz / dre]