Deformierte Atomkerne sind doppelt magisch. Wissenschaftler haben die fehlende Masse an Zirkonium-80 gefunden

Wissenschaftler des National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) und der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) an der Michigan State University haben das Rätsel der fehlenden Masse von Zirkonium-80 gelöst, ein Rätsel, auf das sie selbst gestoßen sind. Die am NSCL durchgeführten Experimente haben gezeigt, dass der Kern von Zirkonium-80, der 40 Protonen und 40 Neutronen enthält, viel leichter ist als er sein sollte. Nun haben die Theoretiker am FRIB Berechnungen durchgeführt, die Antworten auf die Frage liefern, was mit der fehlenden Masse geschieht.

Die Beziehung zwischen Theoretikern und Experimentalphysikern ist wie ein koordinierter Tanz, sagt der Hauptautor der in Nature Physics veröffentlichten Arbeit, Alec Hamaker. Manchmal sind es die Theoretiker, die den Weg weisen und etwas vor der experimentellen Entdeckung zeigen, und manchmal entdecken die Experimentatoren etwas, das die Theoretiker nicht erwartet haben, fügt Ryan Ringle hinzu.

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Die jüngste Entwicklung ist nur ein Vorgeschmack auf das, was Wissenschaftler in aller Welt erwarten können. Schon jetzt bietet das NSCL, der führende Standort in den USA für die Forschung mit seltenen Isotopen, den Wissenschaftlern enorme Möglichkeiten. Aber der FRIB, der im nächsten Jahr eröffnet werden soll, wird absolut einzigartig sein. Wissenschaftler aus der ganzen Welt werden in der Lage sein, Isotope herzustellen, die sonst nirgendwo erhältlich sind. Anlagen wie der FRIB erweitern nicht nur unser Wissen über das Universum, sondern ermöglichen es uns auch, zum Beispiel Krebsbehandlungen zu verbessern. Ringle erklärt, dass der FRIB bisher unzugängliche Forschungen ermöglichen wird und die Anlage für viele Jahrzehnte neue Entdeckungen liefern wird.

Aber kommen wir zurück zu unserem 80Zr. Es wurde am NSCL hergestellt, und dank der Möglichkeiten der Einrichtung konnten die Wissenschaftler seine Masse mit einer bisher nicht erreichten Genauigkeit messen. Die Masse dieses Elements war schon früher gemessen worden, aber nie so genau. Und diese genauen Messungen haben viele interessante Dinge ergeben. Denn wenn wir die Masse so genau bestimmen können, messen wir eigentlich eine Masse, die verloren gegangen ist. Denn die Masse eines Atomkerns ist nicht gleich der Summe der Massen von Protonen und Neutronen. Ein Teil der fehlenden Masse manifestiert sich als Energie, die den Kern zusammenhält, erklärt Ringle.

Wir alle erinnern uns an Einsteins berühmte Gleichung E=mc^2. Das bedeutet nichts anderes, als dass Masse und Energie gleichwertig sind, sie sind gleichwertig. Dies ist jedoch nur unter extremen Bedingungen zu beobachten, wie sie im Atomkern herrschen. Denn wenn im Kern mehr Bindungsenergie zwischen Protonen und Neutronen vorhanden ist, wenn sie fester aneinander gebunden sind, dann fehlt mehr Masse. Und genau das ist beim Zirkonium-80-Kern der Fall, denn neue Experimente haben gezeigt, dass die Kräfte zwischen Neutronen und Protonen größer sind als erwartet. Und wenn ja, mussten die Theoretiker eine Erklärung dafür finden, warum dies geschah.

Also untersuchten sie die bestehenden Theorien über 80Zr. Sie sagen unter anderem, dass dieser Kern ein doppelter magischer Kern sein könnte.
Frühere Experimente legten nahe, dass der Zirkonium-80-Kern eher einem Rugbyball als einer Kugel ähnelt. Diese Form könnte, so die Theoretiker, zur doppelten "Magie" des Kerns beitragen. Theoretiker vermuten seit mehr als 30 Jahren, dass der Zirkon-80-Kern ein deformierter magischer Doppelkern ist. Die Experimentatoren brauchten einige Zeit, um dies zu beweisen. Und da sie nun Beweise für die Theorie geliefert haben, können die Theoretiker den nächsten Schritt tun, sagt Hamaker.

Die Wissenschaftler warten sehnsüchtig auf den Start von FRIB und hoffen, durch diese Anlage mehr über ungewöhnliche Kerne wie dieses Zirkonium-80 zu erfahren.