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Helium-4-Atom: Eine Anomalie erklärt durch ... ein bekanntes Problem der Astronomie
Veröffentlicht von Adrien, Quelle: CNRS IN2P3 Andere Sprachen: FR, EN, ES, PT
Ein kürzlich durchgeführtes Experiment hat eine signifikante Abweichung zwischen theoretischen Vorhersagen und der Beobachtung des Verhaltens von Helium-4-Kernen festgestellt.
Die Arbeit einer internationalen Gruppe von Theoretikern hat zu einer neuen Sichtweise auf die Konfigurationen von Nukleonen und ihre Kopplung in diesem Kern geführt. Insbesondere eine Entwicklung in der Konzeption des Resonanzzustandes dieses leichten Kerns, die Einblicke in wichtige astrophysikalische Phänomene geben könnte, hat dazu beigetragen, Theorie und Experiment in Einklang zu bringen.
Mainz, 2021: Ein Forschungsteam bombardiert Helium-4-Kerne mit Elektronen, um den Übergang dieses Kerns, auch als Alphateilchen bekannt, vom Grundzustand zum ersten angeregten (resonanten) Zustand zu beobachten. Ziel dieser Experimente ist auch der Vergleich eines gemessenen Wertes, der diesen Übergang betrifft, mit dem Wert aus einem führenden Modell des Atomkerns, basierend auf effektiven Feldtheorien, den so genannten "Chiral Effective Field Theories" (ChEFTs).
Donnerschlag: Der am MaMi der Universität Mainz gemessene Wert war zweimal kleiner als die theoretischen Vorhersagen, was für einige Modelle des Kerns einen schweren Rückschlag darstellte. Die Suche begann: Wie kann man diese experimentelle Beobachtung mit den auf der ChEFT basierenden Modellen in Einklang bringen?
Dieses Rätsel wurde kürzlich durch die Zusammenarbeit internationaler Theoretiker gelöst, zu denen Nicolas Michel (Chinesische Akademie der Wissenschaften), Witek Nazarewicz (Michigan State University) und Marek Płoszajczak, Forscher am GANIL, gehören. Marek erklärt: "Eine ChEFT zur Berechnung bestimmter Eigenschaften des Atomkerns erfordert zunächst die Modellierung des Verhaltens der Nukleonen innerhalb des Kerns. Hier spricht man von der Lösung des 'N-Body-Problems'.
Um dieses Problem im Helium-4 zu lösen, betrachteten die Theoretiker bis vor kurzem das Alphateilchen als ein autarkes und unabhängiges System, in dem sich die Nukleonen einfach voneinander entfernen, wenn der Kern Energie aufnimmt. In dieser Konfiguration, die man als geschlossenes Quantensystem bezeichnen kann, könnte man sich den Kern vorstellen, wie er wie ein Luftballon aufbläht, wenn er Energie erhält".
Das Alphateilchen ist kein geschlossenes Quantensystem, sondern ein offenes System, in dem sich mehrere Reaktionskanalsysteme überlagern. Bild: Witek Nazarewicz
Die originelle Idee der drei Forscher bestand darin, den angeregten Kern anders zu betrachten: Statt ihn als geschlossenes Quantensystem zu sehen, bevorzugten die Forscher die Vorstellung, den Helium-4-Kern als ein offenes System zu betrachten, in dem sich mehrere Reaktionskanalsysteme überlagern (ein Wasserstoff-3-Kern zusammen mit einem Proton, ein Helium-3-Kern zusammen mit einem Neutron oder zwei Helium-2-Kerne). "Genau die Lösung des N-Körper-Problems in diesem Paradigma hat es ermöglicht, die experimentellen Ergebnisse des MaMi zu reproduzieren", bestätigt Marek.
Ende gut, alles gut? Diese theoretische Verrenkung gibt den bestehenden Modellen zweifellos Glaubwürdigkeit und könnte auch auf andere leichte Kerne angewendet werden, um den Prozess ihrer Anregung besser zu verstehen. Doch die Episode beleuchtet auch die Schwierigkeit, die subtilsten Details bei der Untersuchung von Atomkernen zu berücksichtigen, und die Notwendigkeit einer solchen Tiefenanalyse, um einfache nukleare Phänomene zu verstehen.
Es lohnt sich jedoch die Mühe: Die Übergänge zwischen Grundzuständen und resonanten Zuständen leichter Kerne sowie die mikroskopische Struktur dieser resonanten Zustände spielen eine Rolle bei astrophysikalischen Phänomenen wie der Bildung von Neutronensternen oder der stellaren Nukleosynthese. Ihre Aufklärung bringt uns daher näher an ein globales Verständnis der Chemie des Universums.