Ein internationales Physikerteam hat die Massen von exotischen Nukliden des Elements Kalzium experimentell bestimmt. Die Wissenschaftler, darunter auch Forscher um Kai Zuber von der TU Dresden, nutzten dazu das ISOLTRAP Experiment am Europäischen Forschungszentrum CERN. Die Physiker fanden heraus, dass die Atomkerne besonders stabil sind, wenn sie 32 Neutronen aufweisen. Die Ergebnisse sind bedeutend für den Abgleich mit Theorien über die Struktur des Atomkerns und werden diese Woche im Wissenschaftsjournal „Nature“ vorgestellt.

Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen. Phänomene wie Radioaktivität oder Kernspaltung lassen sich mit Reaktionen dieser Teilchen erklären. Doch was sich dabei ganz genau im Atomkern abspielt, ist theoretisch sehr schwer zu beschreiben. So gibt es mehrere konkurrierende Modelle über den Aufbau von Atomkernen. Seit einiger Zeit gilt eine neue Theorie als erfolgversprechender Ansatz: die sogenannte Effektive Feldtheorie. Die Forschergruppe hat nun die Massen der exotischen Nuklide 53Ca und 54Ca auf ein Promille genau gemessen. Dabei zeigte sich, dass die Messdaten exakt zu den Vorhersagen der neuen Theorie passen. Kai Zuber bewertet die Ergebnisse als großen Erfolg: „Wir konnten zeigen, dass die Effektive Feldtheorie offenbar ein gutes Modell ist, um auch solche instabilen Atomkerne zu beschreiben.“

Für ihre Versuche produzierten die Physiker die beiden Nuklide 53Ca und 54Ca, indem sie Uran mit hochenergetischen Protonen beschossen. Die entstehenden Isotope wurden in ein Präzisionsmassenspektrometer gelenkt, das die einzelnen Sorten von Atomkernen sehr effektiv voneinander separieren kann. Der Ionenstrahl wird dazu viele Male innerhalb des Bauteils reflektiert, so dass die Teilchen Flugwege von mehreren Kilometern zurücklegen. Ähnlich wie die unterschiedlich starken Läufergruppen bei einem Marathon-Wettkampf trennen sich dabei die verschiedenen Nuklide voneinander. Die zu untersuchenden Teilchen werden anschließend in eine Penning-Falle gelenkt, wo man ihre Massen bestimmen kann. Ein Magnetfeld zwingt die Ionen in der Falle auf eine kreisförmige Bahn. Aus der Frequenz dieser Kreisbewegung lässt sich die Masse der Teilchen präzise bestimmen.

Die Messungen sind nicht nur wichtig für den detaillierten Test von konkurrierenden Modellen über die Struktur von Atomkernen. Sondern sie berühren auch ein zentrales Thema der astrophysikalischen Forschung: die Entstehung der chemischen Elemente. Sämtliche schweren Elemente im Kosmos bilden sich durch Kernreaktionen in den Sternen. Bei diesen Prozessen fangen stabile Atomkerne Neutronen oder Protonen ein, wodurch stabile Nuklide entstehen, die wieder zerfallen und dabei in schwerere Elemente übergehen. Beeinflusst werden diese Vorgänge ganz entscheidend durch die Kernmassen. Somit sind genau bestimmte Massen der Schlüssel dazu, die Entstehung von Elementen nachzuvollziehen und ihre Häufigkeitsverteilung erklären zu können.

Die Studie ist unter folgendem Originaltitel im Fachmagazin Nature erschienen:
Frank Wienholtz et al: Masses of exotic calcium isotopes pin down nuclear forces,
Nature, Vol. 498, No 7454, p. 346 – 349, http://dx.doi.org/10.1038/nature12226

Abbildung: Kristalle von reinstem (99,99 Prozent) Kalzium. Aus: Alexander C. Wimmer: "Die Chemischen Elemente", SMT, 2011, ISBN: 978-3-200-02434-2 (Wikipedia).

Kontakt:
Prof. Kai Zuber, TU Dresden,
Institut für Kern- und Teilchenphysik,
Tel.: 0351 463-42250,