Neues Phänomen der Radioaktivität beobachtet

Beim radioaktiven Alpha- oder Betazerfall entstehen oft sogenannte angeregte Atomkerne, die nach kurzer Zeit ihre Anregungsenergie als Röntgen- oder Gammastrahlung abgeben. Meist entsteht dabei genau ein Lichtquant. Dass zwei Gammaquanten gleichzeitig entstehen, war als äußerst seltene Ausnahme vorhergesagt. Forscher der Technischen Universität Darmstadt haben dieses Phänomen jetzt nachgewiesen und ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Nature“ publiziert.

Bei radioaktiven Zerfallsprozessen sendet ein instabiler Atomkern spontan ionisierende Strahlung aus, meist ein Teilchen oder ein Photon – selten passiert das gleichzeitig mit zwei identischen Teilchen oder Photonen. Dies war bisher nur für den Doppelbetazerfall beobachtet worden, bei dem gleichzeitig zwei Elektronen (Positronen) und zwei Antineutrinos (Neutrinos) emittiert werden. Den analogen Prozess mit zwei gleichen hochenergetischen Gammaphotonen hatte die spätere Nobelpreisträgerin Maria Göppert-Mayer schon 1930 vorhergesagt. Beim Aussenden eines Photons vollzieht der Kern einen Quantensprung und verliert dabei Energie. Durch diese Energie entfernt sich das ausgesendete Photon vom Kern. In sehr seltenen Fällen, so sagte Göppert-Mayer voraus, verteilt sich die Energie auf zwei simultan ausgesendete Photonen im sogenannten Zweiphotonenzerfall.

Prozesse mit zwei zeit- und energiegleichen Photonen, und zwar nicht nur als Emission sondern auch als Anregung eines Atoms, werden in der Atomphysik inzwischen standardmäßig beobachtet und angewandt. Allerdings gelang es in der Kernphysik bisher nur in drei sehr speziellen Fällen, den Doppelgammazerfall nachzuweisen. Dies waren Fälle, in denen der einfache Gammazerfall durch quantenmechanische Auswahlregeln verboten ist. Wenn der einfache Gammazerfall erlaubt ist, wurde der doppelte Gammazerfall bisher noch nie beobachtet.

Es gibt spezielle Apparaturen, die Photonen nur dann registrieren, wenn sie gleichzeitig ausgesendet werden. Allerdings zerfallen in den untersuchten Proben sehr viele Atomkerne gleichzeitig. Daher ging bei bisherigen Messungen das eigentlich gesuchte Phänomen, dass nämlich die Zwillingsphotonen aus demselben Kern kommen, in der Masse unter. Außerdem kann es vorkommen, dass ein Photon vom ersten Detektor registriert wird und durch einen Streuprozess mit Lichtgeschwindigkeit binnen weniger Milliardstel Sekunden zum zweiten Detektor gelangt, um dort ein zweites Mal detektiert zu werden. Das täuscht das gesuchte Phänomen dann nur vor.

Die Forscher lösten beide Probleme mit neu entwickelten Gammastrahlungsdetektoren, welche die Energie eines Photons sehr genau bestimmen können. Die Detektoren erkennen außerdem Zeitunterschiede von einigen hundert Pikosekunden (einigen Zehnmilliardstel einer Sekunde). Das Wissenschaftlerteam baute einen Ring aus mehreren dieser Detektoren, in dessen Mitte es eine Substanz platzierte, die Gammastrahlung genau bestimmter Energie abgibt. Die Detektoren sprachen an, wenn sie innerhalb eines sehr engen Zeitfensters von wenigen Nanosekunden zwei Photonen registrierten, die zusammen die Energie des Quantensprungs haben. Tatsächlich fanden die Forscher auf diese Weise die Zwillingsphotonen, die etwa bei jedem Millionsten Gammazerfall entstehen.

Die Zeitspanne, in der die Photonen registriert wurden, war kürzer als die Zeitdauer, mit der ein gestreutes Photon mit Lichtgeschwindigkeit von einem Detektor zum anderen zu kommt. Das sehen die Physiker als Indiz, dass ihre Messung kein Artefakt ist. Der Erstautor Christopher Walz und ein Kollege haben die Messwerte auch quantitativ anhand eines theoretischen Modells erklärt.