31.03.2021 - Technische Universität Darmstadt

Transparente Sicht auf Atombausteine durch inverse Kinematik

Mit inverser Kinematik, der eleganten Umkehrung einer etablierten Forschungsmethode, und der Wahl der richtigen Messbedingungen stellte ein internationales Team einen Weg für die detaillierte Untersuchung der Eigenschaften der Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung im Atomkern vor. Das Experiment wurde von einer großen internationalen Kollaboration (BM@N Collaboration) unter der Leitung des Massachusetts Instituts for Technology (MIT), der Tel Aviv University, der TU Darmstadt, sowie des Joint Institute for Nuclear Research (JINR) an der Beschleuniger-Anlage des JINR in Dubna bei Moskau durchgeführt und in der jüngsten Ausgabe von „Nature Physics“ veröffentlicht.

Stark wechselwirkende quantenmechanische Vielteilchen-Systeme sind in der Natur besonders schwer experimentell zu erforschen. Ein solches System ist der Atomkern, der von der starken Wechselwirkung zwischen seinen Bestandteilen, den Nukleonen, zusammengehalten wird. Die Eigenschaften dieser Wechselwirkung im dichten Kernverband zu erforschen ist eine große Herausforderung. Hierfür kommen beispielsweise hochenergetische Protonen-Strahlen mit kleiner Wellenlänge zum Einsatz, die als Sonde auf die zu untersuchenden Atomkerne geschossen werden. Doch bei diesem Verfahren wird die ungestörte Sicht in die mikroskopische Struktur mithilfe der Sonde aufgrund von komplexen Mehrfach-Wechselwirkungen erschwert.

Hier setzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Kollaboration an. Für ihre nun in „Nature Physics“ publizierten Experimente drehten sie das Prinzip der Versuchsanordnung gleichsam um – sie arbeiteten mit inverser Kinematik. Statt einen Protonen-Strahl auf einen Atomkern zu schießen, ließen sie die zu untersuchenden Kohlenstoff-Kerne auf ruhende Protonen treffen. So gelang es zu zeigen, dass in solchen Experimenten, jedoch in inverser Kinematik, eine Selektion des Endzustands ermöglicht wird, die Streuprozesse mit komplexeren Wechselwirkungen ausschließt und damit genaue Untersuchungen der Kräfte im Atomkern ohne das störende „Rauschen“ anderer physikalischer Effekte ermöglicht. Schlüssel des in „Nature Physics“ beschriebenen Experiments war die Invertierung der Kinematik, bei der der zu untersuchende Kern als hochenergetischer Strahl (hier etwa 3 GeV/Nukleon 12C Strahl) auf ruhende Protonen (in Form eines Flüssig-Wasserstoff-Targets) geschossen wird. Dies erlaubt neben der Messung der gestreuten Nukleonen eine genaue Vermessung des Endzustands des Atomkerns nach dem Streuprozess, was in Experimenten in normaler Kinematik nicht möglich ist. Die Analyse des Experimentes zeigte, dass durch geeignete Selektion des Endzustands direkte Streuprozesse identifiziert werden können. So können Informationen über die Eigenschaften der Nukleonen im Grundzustand des Atomkerns gewonnen werden.

Diese Selektivität erlaubte den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern bereits in diesem ersten Experiment, neue Erkenntnisse über den kurz-reichweitigen Anteil der Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung zu gewinnen. Die Eigenschaften der Nukleon-Nukleon- und Mehr-Nukleon-Wechselwirkungen bei kleinen Abständen ist dabei von besonderem Interesse: Sie ist insbesondere zum Verständnis der Eigenschaften von neutronenreicher Kernmaterie hoher Dichte, wie sie im Universum in Form von Neutronensternen existiert, von Bedeutung.

Dr. Meytal Duer, Mitarbeiterin am Institut für Kernphysik (AG Aumann) der TU Darmstadt und verantwortlich für große Teile der Analyse des nun publizierten Experiments, erklärt: „Dieser experimentelle Durchbruch öffnet den Weg, um die Eigenschaften der kurz-reichweitigen Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung in neutronenreichen kurzlebigen Kernen im Detail zu erforschen.“ Solche Kerne könnten am neuen Darmstädter Beschleunigungszentrum FAIR als intensive Strahlen erzeugt werden, so Duer. Die Kollaboration plane für das nächste Jahr bereits ein erstes Experiment mit einem instabilen Kern an der R3B-Anlage (Reaction with Relativistic Radioactive Beams) am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt.

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