Vier Grundkräfte – die elektromagnetische Kraft, die Schwerkraft sowie die schwachen und starken Kernkräfte –, die das Universum beherrschen, beschreiben gleichzeitig die Teilchenwechselwirkung und wie diese Wechselwirkung die Welt ausmacht.
Dank einer aktuellen Studie der University of North Carolina in Chapel Hill und des US-Energieministeriums (DOE) sind Forscher dem Verständnis der starken Kernkraft, einer der mysteriösesten Kräfte, einen Schritt näher gekommen. Argonne National Laboratory.
Ihre Forschung baut auf grundlegenden Theorien der Atomstruktur auf, die von der Nobelpreisträgerin der argonischen Physikerin Maria Goeppert Mayer in den frühen 1960er Jahren entwickelt wurden. Sie trug zur Erstellung eines mathematischen Modells bei Kernstruktur. Ihre Theorie klärte ein seit langem unter Wissenschaftlern bestehendes Rätsel: Warum eine bestimmte Anzahl von Protonen und Neutronen im Atomkern ihn sehr stabil machen.
Indem das Forschungsteam untersuchte, wie sich die Struktur eines Kerns verändern kann, wenn er in einem angeregten Zustand durch eine Kernreaktion entsteht, hat es bereits zuvor vergleichbare Experimente zur Untersuchung der starken Kernkraft durchgeführt. Sie untersuchten die 64 Neutronen und das Proton Nickel-64, die aus diesen und anderen im Ausland durchgeführten Studien hervorgingen. Dieser Kern wiegt mit 28 Protonen und 36 Neutronen mehr als jeder stabile Nickelkern. Bei Anregung auf höhere Energieniveaus ermöglichen die Eigenschaften dieses Nickelisotops, dass es seine Struktur ändert.
Für ihr Experiment nutzte das Team das Argonne Tandem Linac Accelerator System, eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, um eine Probe von Ni-64-Kernen in Richtung eines Leitziels zu beschleunigen. Die Bleiatome konnten die Ni-64-Kerne durch die elektromagnetischen Kräfte anregen, die aus der Abstoßung zwischen Blei und Nickel resultierten Protonen.
Es ähnelt dem Verfahren zum Erhitzen einer Tüte Popcorn in der Mikrowelle. Beim Erhitzen explodieren die Kerne in verschiedene Formen und Größen. Das Popcorn, das aus der Mikrowelle kommt, unterscheidet sich von dem, was hineinkam, und was noch wichtiger ist: Die auf die Körner einwirkende Energie führte dazu, dass sie ihre Struktur veränderten.
Die Gammastrahlen, die beim Zerfall der Ni-64-Kerne in ihren Grundzustand erzeugt wurden, wurden vom GRETINA-Instrument entdeckt, nachdem die Ni-64-Kerne stimuliert wurden. Die Ausrichtung der am Kontakt beteiligten Partikel wurde mit CHICO2, einem anderen Detektor, ermittelt. Dank der von den Detektoren gesammelten Daten konnte das Team die Form (oder Formen) identifizieren, die das Ni-64 als aufregend annahm.
Die Datenanalyse ergab, dass auch die durch Wechselwirkungen mit Blei stimulierten Ni-64-Kerne strukturelle Veränderungen erfuhren. Abhängig von der zugeführten Energiemenge nahm der kugelförmige Atomkern des Nickels jedoch entweder eine abgeflachte Form an, ähnlich einem Türknauf, oder eine längliche Form, ähnlich einem Fußball. Diese Entdeckung ist außergewöhnlich für schwere Kerne wie Ni-64, die viele Protonen haben und Neutronen.
Robert Janssens, Professor am UNC-Chapel Hill und Co-Autor des Artikels, sagte, „Ein Modell ist ein Abbild der Realität, und es ist nur dann ein gültiges Modell, wenn es erklären kann, was zuvor bekannt war, und es über eine gewisse Vorhersagekraft verfügt. Wir untersuchen die Natur und das Verhalten von Kernen, um unsere aktuellen Modelle der starken Kernkraft kontinuierlich zu verbessern.“
„Die Erkenntnisse zu Ni-64 und den umgebenden Kernen können den Grundstein für zukünftige praktische Entdeckungen im Bereich der Kernwissenschaften legen, etwa in der Kernenergie, Astrophysik und Medizin. Bei mehr als 50 % der medizinischen Eingriffe in Krankenhäusern werden heute Kernisotope eingesetzt. Und die meisten dieser Isotope wurden während der Grundlagenforschung entdeckt, wie wir sie betreiben.“
Journal Referenz:
- D. Little, AD Ayangeakaa, et al. Mehrstufige Coulomb-Anregung von 64Ni: Formkoexistenz und Natur von Low-Spin-Anregungen. Physik. Rev. C. DOI: 10.1103/PhysRevC.106.044313
