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Neuer Atomkern gefunden – weit von Stabilität entfernt

20.01.2020

Wo endet die Welt der Atomkerne? Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sind weiter in das Reich der instabilen Elemente eingedrungen als bisher. Am Fragmentseparator des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung hat eine Experiment-Kollaboration erstmals Kalium-31 nachgewiesen, ein Isotop mit acht Neutronen weniger als ein übliches stabiles Kalium-Atom. Ein Atomkern so weit außerhalb der Stabilität wurde bisher noch nie beobachtet. Die Ergebnisse veröffentlichten die Forschenden in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.

Es ist ein exotischer Atomkern, der weiter außerhalb der Protonen-Dripline liegt, als bisher jemals beobachtet: Kalium-31 ist zwar mit einer Halbwertszeit von weniger als eine Nanosekunde extremst kurzlebig, aber dass der Atomkern überhaupt existiert, ist ein neuer Rekord. Die Protonen-Dripline markiert in der Physik eine Grenze, hinter der die ungebundenen Atomkerne liegen. Wegen des unausgewogenen Verhältnisses von Neutronen und Protonen können sie kaum noch existieren und zerfallen sehr schnell. Kalium-31 liegt vier Neutronen weit außerhalb von dieser Dripline. Ein Atomkern so weit von der Grenze entfernt wurde bisher noch nie beobachtet.

Das exotische Isotop von Kalium wurde mithilfe der Teilchenbeschleunigeranlage auf dem GSI/FAIR-Campus erzeugt. Der Ringbeschleuniger SIS18 und der Fragmentseparator (FRS) produzierten in Kombination einen sekundären Teilchenstrahl von Argon-31, der wiederum auf ein Beryllium-Target geschossen wurde. Auf diese Weise gelang es dem Forschungsteam das Kalium-31 herzustellen. Daria Kostyleva, die gerade ihre Doktorabeit bei GSI, FAIR und an der Universität Gießen schreibt, hat die Daten des Fragmentseparator-Experiments analysiert und Simulationen durchgeführt. „Wir sind noch nicht an der Grenze von ungebundenen Systemen zu chaotischer Kernmaterie angekommen“, sagt sie. „Es könnte Atomkerne geben, die bis zu sieben Neutronen weit von der Protonen-Dripline weg sind. Wir wollen testen, ob die Grundprinzipien der Kernphysik dort immer noch gelten.“

Diese chaotischen Systeme könnten in Zukunft an der neuen Teilchenbeschleunigeranlage FAIR gefunden werden. Die Detektoren, mit denen die Entdeckung gemacht wurde, sind Teil des Experimentprogramms am Super-Fragmentseparator, der an FAIR betrieben werden soll und Teil der großen Experimentkollaboration NUSTAR ist. Dank des wesentlich intensiveren Teilchenstrahls von FAIR und den höheren Energien, die erreicht werden können, erwarten die Wissenschaftler viele neue Isotope zu entdecken. Die Experimente, die die weit von der Protonen-Dripline entfernten ungebundenen Systeme untersuchen, werden von der EXPERT-Kollaboration (EXotic Particle Emission and Radioactivity by Tracking) des Super-FRS durchgeführt. An den EXPERT-Experimenten sind unter anderem Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von GSI und FAIR, der Universität Gießen, des Vereinigten Instituts für Kernforschung in Dubna (Russland), der Silesian Universität in Opava (Tschechische Republik) und der Universität Warschau (Polen) beteiligt. (LW)

Mehr Informationen

Original-Publikation: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.092502


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Der Fragmentseparator
Fotomontage FAIR
Foto: A. Zschau/GSI Helmholtzzenztrum für Schwerionenforschung GmbH
Grafik: ion42/FAIR

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