Vielgestaltige Atomkerne

Atomkerne können in sehr unter­schiedlichen Formen vorliegen. Manche sind stärker diskusförmig, andere ähneln einem Rugby-Ei oder haben sogar die Form eines triaxialen Ellipsoids. Der Grund dafür liegt im gegen­seitigen Spiel der Kräfte: Die anziehende starke und die abstoßende elektro­magnetische Wechselwirkung zwischen den Protonen und Neutronen im Atomkern sowie kollektive Quanten­effekte zwischen diesen Teilchen sorgen für ein komplexes Zusammenspiel der Kräfte in den winzigen Atomkernen. Bislang gingen die Lehrbücher der Kernphysik davon aus, dass sich die Atomkerne zumindest bei abge­schlossenen Schalen oder in deren Nähe aber als kugelförmig präsentieren. Wie ein Forscherteam um Paul Garrett von der University of Guelph in Ontario, Kanada, nun zeigen konnte, gestaltet sich die Lage jedoch etwas kompli­zierter.

Die meisten Atomkerne liegen ein gutes Stück weg von den abge­schlossenen Schalen und zeigen eine gewisse Deformation. Dies zeigt sich unter anderem in hohen Werten der Quadrupol­momente, die sich bei Messungen des Rotations­spektrums bestimmen lassen. Atomkerne, die nahe an geschlossenen Schalen und ihren magischen Zahlen für Protonen und Neutronen liegen, sollten kugelförmig sein und entsprechende Schwingungen ausführen können. Das gilt auch für die nun untersuchten stabilen Isotope Cadmium-110 und Cadmium-112, deren Eigen­schaften die Forscher mittels aufwändiger kernspektro­skopischer Verfahren analysierten. Eigentlich hatten die Forscher bei Cadmium mit seiner Protonen­zahl von 48, die nur knapp unterhalb der nächsten Schalen­grenze von 50 liegt, das gewohnte Verhalten erwartet. Stattdessen zeigten sich in den Spektren verschiedene Banden, die auf die Koexistenz verschiedener Formen bei den leicht ange­regten Cadmium­kernen hinwiesen.

Die Experimente fanden an der Isotope Separator and Acce­lerator Facility des kanadischen Teilchen­beschleuniger­zentrum Triumf statt. Diese Anlage erlaubt es, Strahlen aus seltenen Isotopen zu erzeugen, die mit Hilfe eines Massen­separators und eines Strahl­transportsystems zu den Experimenten gebracht werden. Um die gewünschten Cadmium­kerne zu herzustellen, erzeugten die Forscher zunächst einen aus Spallations­produkten erzeugten Strahl aus Indium-110 und Indium-112 sowie aus Silber-112. Das Indium zerfiel über Beta-Plus-Zerfall oder Elektronen­einfang zu den gewünschten Kadium-Isotopen, das Silber über Beta-Minus-Zerfall. Die freiwerdenden Gamma­strahlen untersuchten sie mit dem 8-Pi-Spektro­meter.

Die frisch erzeugten Cadmium-Isotope gingen nach kurzer Zeit in den Grundzustand über und sandten dabei Gammastrahlung aus, anhand derer die Forscher diese Zustände charak­terisieren konnten. Dabei verlangte insbesondere die Messung der seltenen Banden eine hohe Auslese­genauigkeit und gute Statistik. Die hoch­sensitiven Germanium­detektoren und das Daten­nahmesystem des 8-Pi-Spektrometers sind speziell für eine hohe Rate von Betazerfällen optimiert, so dass die Forscher nach seltenen Übergängen suchen konnten – unter anderem per Koinzidenz­schaltung, wenn bei einer Zerfalls­kaskade zwei Gamma­strahlen innerhalb von rund 100 Nanosekunden emittiert wurden. „Eine der wichtigsten Gamma-Banden bei diesen Unter­suchungen wird nur einmal bei ungefähr zehn Millionen Zerfällen der Eltern-Nuklide emittiert“, sagt Garrett. Deshalb mussten die Forscher bei einigen Experi­menten bis zu rund einer Milliarde Zerfälle analysieren. Eine solche Präzision beim Nachweis war bisher zwar schon bei anderen Analysen erreicht worden, allerdings mussten die Forscher bei diesen Experimenten über hundert Ausgangs­zustände berück­sichtigen, von denen eine entsprechende Vielzahl verschiedener Zerfalls­kanäle herrührt.

Wie sich beim Vergleich der Messungen mit Modellierungs­methoden herausstellte, machten die Cadmium­kerne bei den niedrigen Anregungen wohl keine sphärischen Schwingungen, sondern zeigten ellipsoide Rotationen, die auf die Koexistenz unter­schiedlicher Formen hinwiesen – trotz der Nähe zur abge­schlossenen Protonen­schale. Nach den Berechnungen könnten aber durchaus vier verschiedene ellipsoide Formen bei den niedrigsten ener­getischen Zuständen vorliegen. Für den Grundzustand ließ sich eine solch ungewöhnliche Gestalt noch nicht nachweisen: Das erfordert noch sehr viel umfang­reichere Messungen, die die Wissen­schaftler in Zukunft angehen wollen und die die Zusammenarbeit von mehreren Laboratorien weltweit mit unter­schiedlichen Fähigkeiten erfordern wird.

Die Ergebnisse werfen insbesondere die Frage auf, welche anderen Atomkerne ein solch eigen­artiges Verhalten zeigen und ob die Standard­theorie der Kernschalen nicht modi­fiziert werden muss. Die geschlossene Schalen sind anscheinend doch nicht so geschlossen wie gedacht. Vielmehr könnten Teilchen aus solchen Schalen Korre­lationen mit anderen Teilchen eingehen und dadurch ein komplexes, rückge­koppeltes System erzeugen. Dabei bilden sich etwa Proton- oder Neutronpaare. Hinzu kommen Korre­lationen zwischen Neutronen und Protonen über das Quadrupolmoment der starken Kernkraft und eventuell auch solche, die aus Alpha-Teilchen bestehen. Das einfache Schalen­modell dürfte demzufolge nur ein einge­schränktes Erklärungs­potenzial aufweisen.

Dirk Eidemüller

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  P. E. Garrett et al.: Multiple Shape Coexistence in ^110,112Cd, Phys. Rev. Lett. 123, 142502 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.142502
• Nuclear Physics (P. E. Garrett), University of Guelph
• Triumf Isotope Separator and Accelerator (ISAC), Vancouver

Weitere Beiträge

• K. L. Green et al.: Degeneracy at 1871 keV in 112Cd and implications for neutrinoless double electron capture, Phys. Rev. C 80, 032502(R); DOI: 10.1103/PhysRevC.80.032502 

• D. Eidemüller: Protonen und Neutronen im Paartanz, pro-physik.de, 21. Februar 2019

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