Birnenförmige Atomkerne nachgewiesen

Atomkerne sind keineswegs immer kugelrund: Manche ähneln beispielsweise einem Rugbyball, andere eher einem Diskus. Wissenschaftler um Peter Butler von der University of Liverpool konnten nun erstmals nachweisen, dass manche Atomkerne auch den Umriss einer Birne aufweisen, wie sie im Fachblatt „Nature“ berichten. Diese exotischen Kerne könnten bei der Suche nach Physik jenseits des Standardmodells helfen.

Kugelsymmetrisch ist ein Atomkern nur, wenn sich sowohl seine Neutronen als auch seine Protonen in einer vollständig gefüllten Schale befinden. Diese „doppelt-magischen“ Atomkerne sind besonders stabil. Abseits dieser magischen Zahlen unterscheiden sich die Atomkerne nicht nur in ihren Energieniveaus, sie gehorchen auch verschiedenen Symmetrien. Kernphysiker kennen mehrere Arten von Deformationen. Bei der Dipoldeformation schwingen die Neutronen gegen die Protonen, wodurch sich zwar die magnetischen Eigenschaften ändern, nicht aber die äußere Form des Kerns. Viele Atomkerne weisen auch eine Quadrupolgestalt auf – solche Kerne sind entweder langgezogen oder gestaucht. Damit besitzen sie immer noch zwei räumliche Symmetrien: Sie sind drehsymmetrisch bezüglich ihrer Längsachse und spiegelsymmetrisch bezüglich ihrer Mittenebene.

MINIBALL-Detektor am REX-ISOLDE-Experiment

Am REX-ISOLDE-Experiment am Forschungszentrum CERN konnten Butler und seine Kollegen nun an Radon-220- und Radium-224-Kernen erstmals auch eine Oktupolform beobachten. Diese Atomkerne zeigen lediglich Drehsymmetrie entlang der Längsachse. Da sie instabil sind, kommen die nun untersuchten Kerne nicht natürlich vor. Deshalb schossen die Wissenschaftler zunächst Protonen auf eine Probe aus Urankarbid und separierten die gewünschten Atomkerne aus den zahlreichen Trümmerstücken der Kernkollisionen.

Anschließend beschleunigten sie die Radon- und Radiumkerne auf drei Megalektronenvolt pro Partikel und lenkten sie auf eine zweite Probe aus Nickel, Kadmium oder Zinn. Diese zweite Wechselwirkung regte die Kerne dazu an, Gammastrahlung auszusenden. Dessen Spektrum analysierten die Wissenschaftler dann mit dem Gammastrahlenspektrometer MINIBALL. Die gemessenen Werte stimmen mit einer Oktupolform der Atomkerne überein. „Diese Birnenform ist sehr speziell“, sagt Mitautor Tim Chupp von der Universität Michigan. „Sie bedeutet, dass Neutronen und Protonen an etwas verschiedenen Orten entlang der inneren Achse ausgerichtet sind.“

Und dies verstärkt einen Effekt, der möglicherweise auf Physik des Standardmodells verweist. Denn nach der gängigen Theorie können Atomkerne kein permanentes elektrisches Dipolmoment besitzen. Einigen alternativen Theorien zufolge, die über das Standardmodell hinausweisen, könnte ein solches jedoch durchaus auftreten; es ist jedoch schwer zu messen. Oktupolkerne verstärken diesen Effekt um zwei bis drei Größenordnungen, sodass die Analyse dieser Atomkerne Hinweise auf neue Physik geben könnte.