Lange gesuchtes Teilchen aus vier Neutronen entdeckt
Forschungsteam beobachtet zum ersten Mal einen neutralen Kern – das Tetra-Neutron
16.08.2022 |
Diese Meldung basiert auf einer Pressemitteilung der Technischen Universität Darmstadt.
Einem internationalen Forschungsteam unter Beteiligung des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung ist es erstmals gelungen, ein isoliertes Vier-Neutronen-System zu erzeugen. Die Forschenden überwanden die experimentelle Herausforderung durch Einsatz einer neuen Methode.
Das Experiment wurde an der Beschleunigeranlage für radioaktive Strahlen (RIBF) am RIKEN-Forschungszentrum in Japan durchgeführt. Beteiligt an der großen internationalen Kollaboration unter Führung der Technischen Universität Darmstadt waren neben GSI auch Wissenschaftler*innen der TU München und des RIKEN Nishina Centers. Das Experiment lieferte ein zweifelfreies Signal für die erste Beobachtung des Tetra-Neutrons. Das Resultat wurde jetzt in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.
Die Bausteine von Atomkernen sind die Nukleonen, die in zwei Arten vorkommen, den neutralen Neutronen und den positiv geladenen Protonen. Nach bisherigem Wissensstand existieren keine stabilen – oder gebundenen – Kerne, die ausschließlich aus Neutronen aufgebaut sind. Die einzigen bekannten gebundenen Systeme, die fast ausschließlich aus Neutronen bestehen, sind die Neutronensterne in unserem Universum mit einem typischen Radius von etwa zehn Kilometern. Diese Sterne werden durch die Gravitationskraft stabilisiert und weisen eine hohe Neutronendichte im Inneren auf. Atomkerne wiederum sind durch die starke Wechselwirkung gebunden, mit der Präferenz, die gleiche Zahl von Neutronen und Protonen zu binden – so wie man es von leichten, stabilen Kernen kennt, wie sie auf unserer Erde zu finden sind.
Neutronensterne besser verstehen
Die Erforschung von reinen Neutronensystemen ist aber von großer Bedeutung, da nur so experimentelle Erkenntnisse über die Wechselwirkung mehrerer Neutronen untereinander und damit über die nukleare Wechselwirkung an sich gewonnen werden können. Die Erforschung der bisher hypothetischen Systeme könnte zudem helfen, die Eigenschaften von Neutronen-Sternen besser zu verstehen. Herauszufinden, ob solche Neutronen-Systeme als ungebundene Kernzustände oder gar als gebundene Kerne vorliegen, ist daher ein seit langem bestehendes Bestreben der Kernphysik. Das Forschungsteam hat dazu nun einen neuen Anlauf genommen und eine neue experimentelle Methode eingesetzt, die sich von allen bisherigen Versuchen unterscheidet. Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Sonderforschungsbereich 1245 unterstützt.
“Dieser experimentelle Durchbruch liefert einen Referenzwert für die Theorie zum Verständnis der Wechselwirkungen von reinen Neutronen-Verbünden und damit auch der Eigenschaften neutronenreicher Kerne“, sagt Dr. Meytal Duer vom Institut für Kernphysik (IKP) an der TU Darmstadt. “Die nukleare Wechselwirkung zwischen mehr als zwei Neutronen konnte bisher nicht experimentell geprüft werden, während theoretische Vorhersagen zu sehr verschiedenen Ergebnissen führen. Wir planen nun ein Experiment der nächsten Generation an der R3B-Anlage bei FAIR, mit dem die direkte Messung der Korrelationen zwischen den vier Neutronen mit dem R3B-NeuLAND-Detektor möglich sein wird. Dies wird neue Erkenntnisse über die Natur dieses Vier-Neutronen Systems liefern.”
Die experimentelle Untersuchung von reinen Neutronen-Systemen stellt eine große Herausforderung dar. Denn es gibt keine Möglichkeit, ein Neutronen-Target herzustellen, also die Materie, die dem Teilchenstrahl ausgesetzt wird. Daher muss ein Multi-Neutronen-System, in dem die Neutronen untereinander über die kurzreichweitige Kernkraft (wenige Femtometer, 10-15 Meter) in Wechselwirkung treten können, in einer Aufprallreaktion von Atomkernen erzeugt werden. Die große Gefahr, dass die Wechselwirkung der Neutronen mit anderen an der Reaktion beteiligten Teilchen das eigentliche Signal verändert oder unsichtbar macht, wurde im Experiment durch den Einsatz eines hochenergetischen 8He-Strahls gelöst. Der 8He-Kern besteht aus einem kompakten Alpha-Teilchen (4He), das von den vier weiteren Neutronen in einer Wolke geringerer Dichte umgeben wird. Das Alpha-Teilchen wird nun in einer hochenergetischen Reaktion mit einem Proton in einem Flüssigwasserstoff-Target aus dem 8He-Kern herausgeschossen: Die verbleibenden vier Neutronen sind plötzlich frei und können einen Vier-Neutronen-Zustand bilden.
“Schlüssel zur erfolgreichen Entdeckung des Tetra-Neutrons waren die gewählte Reaktion und die gewählte Kinematik mit hohem Impulsübertrag, die die Neutronen von den geladenen Teilchen im Impulsraum unverzüglich separiert“, sagt Professor Dr. Thomas Aumann, Leiter der Forschungsabteilung Kernreaktionen bei GSI/FAIR und Professor am IKP der TU Darmstadt. „Dies hat eine fast untergrundfreie Messung ermöglicht. Wir planen nun dieselbe Reaktion, aber mit einem 6He-Strahl an der RBIF, um die Neutron-Neutron-Wechselwirkung bei kleinen Energien präzise zu messen. Ein dafür geeigneter Neutronen-Detektor wird im Moment an unserer Universität gebaut.” (TUDa/CP)
