Oxygen-28: ein magischer Kern, der viele Überraschungen bereithält

Die Stabilität eines Atomkerns lässt sich durch die Energie messen, die notwendig ist, um seine Nukleonen (Protonen und Neutronen) aus den äußeren Orbitalen zu verdrängen. In sogenannten magischen Kernen, deren Orbitale vollständig besetzt sind, ist die notwendige Energie im Allgemeinen größer. Einer dieser Kerne, das Sauerstoff-28, scheint jedoch dieser Regel zu entkommen.


Ein Team der SAMURAI21-NeuLAND-Zusammenarbeit hat durch die Untersuchung eines sehr nahegelegenen Kerns, Fluor-30, nachgewiesen, dass dieser Kern letztlich nicht magisch ist und seine Nukleonen nicht fester gehalten werden. Stattdessen stellt sich ein Zustand der Superfluidität ein, bei dem die Neutronen mühelos zwischen ineinander verschlungenen Orbitalen springen.

Seitdem sie die Herausforderung angenommen haben, das Sauerstoff-28 zu untersuchen, erleben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der SAMURAI-Zusammenarbeit in Japan, an der auch Physiker und Physikerinnen des IN2P3 beteiligt sind, eine Überraschung nach der anderen. Die jüngste Überraschung ist keine geringere.


Dieser Kern, der aus 8 Protonen und 20 Neutronen besteht, ist besonders interessant, weil er trotz seiner intrinsischen Eigenschaften, die ihn zu einem „magischen“ Kern machen sollten, der stabiler ist als seine Nachbarn, hochgradig instabil ist: Seine Lebensdauer beträgt nicht mehr als 10^-20 Sekunden.

Die Physiker haben daher versucht, sein inneres Funktionieren besser zu verstehen, um zu bewerten, ob er als magisch betrachtet werden sollte oder nicht. Und was sie gefunden haben, ist sehr interessant. Der Sieg der Instabilität ist auf eine Annäherung der Orbitale zurückzuführen, in denen die Nukleonen angeordnet sind, was die Etablierung eines Superfluiditätsregimes ermöglicht.

Superfluidität? Um dieses Phänomen vollständig zu verstehen, müssen wir uns erneut den Grundlagen der Kernphysik zuwenden.

In Atomkernen gilt die Regel, dass ein Kern, dessen Zahl an Nukleonen genau ausreicht, um seine Orbitale zu füllen, stabiler ist und als magisch bezeichnet wird. Dieser Effekt wird verstärkt, wenn sowohl Protonen als auch Neutronen optimal auf diese Weise gefüllt sind. Man spricht dann von einem doppelt magischen Kern.

Sauerstoff-28 mit seinen 8 Protonen und 20 Neutronen gehört zu dieser Super-Kategorie und sollte daher theoretisch eine erhöhte Stabilität aufweisen. Aber eine andere ebenso unumstößliche Regel der Kernphysik wirkt in die entgegengesetzte Richtung. Diesmal ist es der Unterschied zwischen der Anzahl von Protonen und Neutronen, der eine Rolle spielt.

Die stabilsten Kerne besitzen eine annähernd gleiche Anzahl von Protonen und Neutronen. Aber je größer der Unterschied wird, desto instabiler werden die Kerne. Mit 20 Neutronen und 8 Protonen weist das Sauerstoff-28 eine sehr hohe Neigung zur Instabilität auf. Schließlich lässt sich nicht leugnen: Mit seiner extrem kurzen Lebensdauer herrschen eindeutig die Gesetze der Instabilität vor. Es blieb jedoch die Frage zu klären, warum.


Um die Magie des Sauerstoff-28 zu ergründen, vergleichen Wissenschaftler die Energie, die benötigt wird, um ein Neutron aus dem Sauerstoff-28 herauszureißen, mit der Energie, die für dasselbe beim Sauerstoff-29, der ein Neutron mehr enthält, erforderlich ist. Die Idee ist, dass das magische Sauerstoff-28 seine Neutronen fester halten sollte als das Sauerstoff-29. Allerdings machen die extrem kurze Lebensdauer dieser beiden Isotope und insbesondere der Zerfallsmodus des Sauerstoff-29 diesen Test sehr schwierig.

Die Wissenschaftler der SAMURAI21-NeuLAND-Zusammenarbeit haben daher vorgeschlagen, das Problem zu umgehen, indem sie Kerne studieren, die den selben Zahlen an Nukleonen sehr nahekommen, wie Fluor-30 (9 Protonen, 21 Neutronen) und Fluor-29 (9 Protonen, 20 Neutronen). Die Nähe dieser beiden Elemente ermöglicht es, die Ergebnisse der Fluor-Isotope auf die des Sauerstoffs zu extrapolieren.

Die erhaltenen Messungen sind eindeutig: Die Energie, die benötigt wird, um ein Neutron von jedem der beiden Fluor-Isotope auszustoßen, ist vergleichbar, was beweist, dass die „magische“ und stabilisierende Konfiguration mit 20 Neutronen nicht mehr existiert.

"Wir gehen davon aus, dass in dieser Konfiguration, die sehr schwach gebundene und sehr instabile Kerne betrifft, die normalerweise klar getrennten Orbitale Platz machen für ein Durcheinander von Orbitalen, zwischen denen die Neutronen frei zirkulieren können, erklärt Olivier Sorlin, Forscher am GANIL und Teilnehmer der Studie zu SAMURAI21-NeuLAND. Dieses neue Regime, das sich einstellt, ist wahrscheinlich das der Superfluidität, bei dem sich Neutronen zu Paaren verbinden und zwischen den Orbitalen unterschiedslos hin- und herspringen. In diesem Kontext gelten die Regeln der Magie, die sich aus der Vollständigkeit bestimmter Orbitale ergeben, nicht mehr. Deshalb ist das Sauerstoff-28 nicht magisch".



Aber die Überraschungen hören damit nicht auf. Während dies das erste Mal ist, dass ein Superfluiditätsregime bei exotischen Kernen beobachtet wird, konnten die Wissenschaftler auch eine andere bemerkenswerte Entdeckung machen.

"Bislang dachten wir, dass das Paaren von Neutronen in einem Superfluiditätskontext nur über große Entfernungen im Atomkern erfolgt, wenn sich die beiden Neutronen eines Paares in weit voneinander entfernten Regionen des Kerns befinden, fährt Olivier Sorlin fort. Doch die theoretischen Modelle, die die experimentellen Ergebnisse der Fluor- und Sauerstoffkerne wiedergeben, schlagen vor, dass die Neutronenpaare viel näher beieinander liegen. Sollte dieses Ergebnis durch spezifischere neue Experimente bestätigt werden, die von der SAMURAI-Kollaboration geplant sind, würde dies das Verständnis der Superfluidität grundlegend verändern".

Es wird deutlich, dass mit diesem überraschenden Auftauchen der Superfluidität anstelle der Magie die SAMURAI-Kollaboration den Weg für eine spannende neue Forschung eröffnet hat.

Quelle: CNRS IN2P3