Physiker des MPI für Kernphysik in Heidelberg haben die Ladungsverteilung in besonderen Lithium-, Beryllium- und Neon-Atomkernen sehr exakt gemessen. Die Ergebnisse lassen sich erklären, wenn man annimmt, dass ein bis zwei Neutronen oder Protonen sich in einem Halo um einen gewöhnlichen Atokern befinden.

Atomkerne, in denen "Heiligenscheine" vorkommen

Mainz/Heidelberg - Im Laufe des letzten Jahres vermaßen Physiker aus Heidelberg, Mainz, Leuven (Belgien) und Genf die Radien sogenannter Halokerne eine Größenordnung genauer als zuvor möglich. Zusätzlich bestimmten sie die Verteilung der Ladungen in den Atomkernen. Daraus schlossen sie, dass sich in diesen Kernen einzelne Kernteilchen gerade an der Grenze der sogenannten starken Kernkraft bewegen.

Zwar kennen Physiker seit Langem die grundlegenden Eigenschaften von Atomkernen, ihr innerer Aufbau ist jedoch sowohl in der Theorie schwer zu beschreiben als auch in der Praxis schwierig messbar. Die Anzahl der Kernteilchen, also der Protononen und Neutronen, bestimmt die grundsätzlichen Eigenschaften und wird daher an den Elementnamen angehängt. Die genauen Ergebnisse des MPI: Lithium-11-Kerne bestehen aus einem Lithium-9-Kern mit einem Halo aus zwei Neutronen, und das untersuchte Beryllium-11 setzt sich aus einem Beryllium-10-Kern mit einem Neutron zusammen. Überraschend war Neon-17: darin kreisen 2 positiv geladene Protonen um einen Kern, der wie ein Sauerstoff-15-Kern aufgebaut ist. Das wirft die Frage auf, warum sich die zwei Protonen im Halo trotz ihrer jeweils positiven Ladungen nicht sofort abstoßen.

Die Kerne zerfallen zwar aus ihrem Halo-Zustand schon nach wenigen Hundertstel Sekunden. Das ist für Atomkerne jedoch schon relativ lang. Um in dieser kurzen Zeit Messwerte gewinnen zu können, nutzten die MPI-Forscher unter anderem eine verfeinerte Form der Laserspektroskopie am CERN in Genf. Indem ein Laserstrahl einem Strahl der interessierenden Atomkerne überlagert wurde, wurden die Kerne zum Leuchten angeregt. Aus der genaueren Untersuchung des Lichts konnten die Physiker dann die Kerneigenschaften rekonstruieren, zum Beispiel die Entfernung der Ladungen von der Kernmitte oder die Massenverteilung im Atomkern.

Es ergab sich, dass die derzeit verbreiteten Modelle für den inneren Aufbau der Atomkerne jeweils eine der gemessenen Eigenschaften nicht sehr genau vorhersagen konnten. Für die drei untersuchten Halo-Kerne konnte die Forschungsgruppe ihre Messergebnisse aber einfach mit der Annahme erklären, dass die zusätzlichen Neutronen und Protonen in einer Art Kugelschale oder "Heiligenschein" um den Rest-Kern sausen. Mit weiteren Messungen an Beryllium-14 möchten die Forscher auch entschlüsseln, wie die starke Kernkraft genau wirkt – und damit die Theorien über die grundlegenden Eigenschaften der Materie verbessern helfen.