Ein Magnesium-Isotop verhält sich anders, als es das Kernschalenmodell vorhersagt, und stellt damit die bisherigen Theorien in Frage

Der Miniball-Detektor am REX-ISOLDE-Experiment des CERN

München / Genf (Schweiz) - Elemente, die schwerer sind als Eisen, bilden sich nur in gewaltigen Sternexplosionen, so genannten Supernovae. Dabei entstehen schwere kurzlebige Atomkerne, doch einige Kerne sind vergleichsweise stabil, da sie eine bestimmte "magische" Anzahl von Protonen oder Neutronen besitzen. Welche Protonen- und Neutronenzahlen magisch sind, sagt das Kernschalenmodell voraus. Doch einige magische Atomkerne weichen von der erwarteten Schalenstruktur ab. Das haben Messungen am Instrument REX-ISOLDE ergeben, einem Beschleuniger für radioaktive Ionen am CERN. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Physikern an der TU München hat Kerne in einem Bereich mit der magischen Neutronenzahl 20 untersucht, die auf der "Insel der Inversion" liegen.

Die ersten magischen Zahlen lauten 2, 8, 20, 28, 50, 82. In der Tat sind Elemente, deren Protonenzahlen diesen Zahlen entsprechen, sehr stabil und kommen häufig in der Natur vor: Helium, Sauerstoff, Calcium, Nickel, Zinn und Blei. Die Neutronenzahl kann variieren, man spricht von Isotopen des Elements. Bei Calcium-40, dem häufigsten Isotop des Elements Calcium, haben sowohl Protonen als auch Neutronen die magische Zahl 20.

Die Wissenschaftler untersuchten am CERN Atomkerne mit sehr vielen Neutronen, die normalerweise schnell zerfallen. Doch einige neutronenreiche Kerne sind unerwartet stabil - sie gehören zu der "Insel der Inversion". Ein Beispiel ist das Isotop Magnesium-32, das 12 Protonen und 20 Neutronen besitzt. Die Forscher stellten diese neutronenreichen Atomkerne her, indem sie einen Magnesium-30-Strahl auf eine Titanfolie schossen, die mit Tritium (schwerem Wasserstoff) beladen war. In einer so genannten Paartransferreaktion wurden zwei Neutronen vom Tritium abgestreift und auf den Magnesium-30-Kern übertragen, der sich damit in Magnesium-32 umwandelte.

Im niedrigsten Energiezustand ist der Magnesium-32-Kern deformiert und hat etwa die Form eines American Football. Die Kugelform sollte sich laut dem Kernschalenmodell erst bei hohen Anregungsenergien einstellen. Die Forscher wiesen in dem Experiment zum ersten Mal die Existenz eines kugelförmigen Magnesium-32-Kerns nach. Allerdings entstand der kugelförmige Magnesium-32-Kern schon bei viel niedrigerer Energie als theoretisch vorhergesagt. Das Ergebnis stellt die Modelle zur Beschreibung der Schalenstruktur teilweise infrage.

"Um den genauen Verlauf der Elemententstehung in Sternexplosionen vorherzusagen, müssen wir den Mechanismus genauer verstehen, der die veränderte Schalenstruktur herbeiführt", sagt Professor Krücken, Inhaber des Lehrstuhls für Physik der Hadronen und Kerne an der TU München. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass es noch vieler weiterer Experimente bedarf, um die Abläufe rund um die magischen Zahlen widerspruchsfrei erklären zu können.