Überraschender Einblick in die Welt der Atomkerne

Neues aus der Forschung

Meldung vom 20.09.2016

Wie fügen sich Neutronen und Protonen zu Atomkernen zusammen? Eine neue Computersimulation liefert auf diese Frage ein überraschendes Ergebnis: Wurde in der Simulation ein einziger Parameter minimal verändert, hatte das fundamentale Auswirkungen auf den Aufbau der Kerne. Unter leicht unterschiedlichen Bedingungen könnte unser Universum daher ganz anders aussehen.


160920-1147_medium.jpg
 
Beim bestimmten „Mischungsverhältnis“ zwischen lokalen und nicht-lokalen Wechselwirkungen im Kern kommt es zu einem Phasenübergang von einem Gas aus Alpha-Teilchen hin zu einer nuklearen Flüssigkeit
© Grafik: Dean Lee
Serdar Elhatisari, Ning Li, Alexander Rokash, Jose Manuel Alarcon, Dechuan Du, Nico Klein, Bing-nan Lu, Ulf-G. Meißner, Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Timo A. Lähde, Dean Lee, Gautam Rupak. 2016. Nuclear binding near a quantum phase transition
DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.132501

Atomkerne sind der Stoff, auf dem unsere Existenz basiert. Sie sind aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen aufgebaut. Doch was passiert, wenn sich diese zu Kernen verbinden? Diese Frage beschäftigt schon Generationen von Physikern.

Wie sich die Neutronen im Kern genau anordnen, ist nämlich je nach Atom unterschiedlich: In manchen Atomen sind die Kerne aus so genannten Clustern aufgebaut. Das sind Gruppen von je zwei Protonen und Neutronen, die man auch als Alpha-Teilchen bezeichnet. In anderen Atomen lassen sich diese Alpha-Teilchen dagegen nicht beobachten. „Wir wissen bislang nicht, warum das so ist“, erklärt Prof. Dr. Ulf Meißner vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn.

Um den Vorgängen bei der Bildung der Atomkerne genauer nachzuspüren, bemühen Physiker heute Computersimulationen. Diese erfordern jedoch extrem komplexe Berechnungen. Selbst mit den schnellsten Supercomputern lässt sich heute daher nur die Entstehung sehr kleiner Kerne simulieren. Ziel der aktuellen Studie war es ursprünglich, die Rechenverfahren effizienter zu machen, um mittelfristig auch die Bindungsverhältnisse in größeren Kernen simulieren zu können.

Unerwartete Beobachtung

Wenn zwei Alpha-Teilchen in einem Atomkern zusammen kommen, beeinflussen sich beide gegenseitig – sie treten miteinander in Wechselwirkung. Wenn sich dabei die relative Position der Protonen und Neutronen in beiden Alpha-Teilchen zueinander nicht verändert, nennt man diese Wechselwirkung „lokal“. Ansonsten spricht man von einer nicht-lokalen Wechselwirkung. „Wir haben in unseren Simulationen das 'Mischungsverhältnis' zwischen lokalen und nicht-lokalen Wechselwirkungen variiert“, erklärt Prof. Meißner. „Wir haben also immer mehr lokale Wechselwirkungen beigemischt.“

Dabei zeigte sich ein unerwarteter Effekt: Ab einem bestimmten Mischungsverhältnis änderte sich der Zustand des Kerns fundamental. Bildlich gesprochen, ging der Kern von einem gasförmigen in einen flüssigen Zustand über. Im gasförmigen Zustand ist der Kern aus Alpha-Teilchen aufgebaut, entsprechend einem Bose-Einstein Gas, im flüssigen dagegen nicht. „Bei welchem Mischungsverhältnis dieser Phasenübergang stattfindet, hängt von der Größe des Kerns ab“, sagt der Erstautor der Studie, Prof. Meißners Mitarbeiter Dr. Serdar Elhatisari.

Die Bindungsverhältnisse im Kern seien also in der Natur ganz nahe an einer Instabilität, die vorher nicht beobachtet wurde, ergänzt Prof. Meißner: „Wenn man den Parameter, der die relative Stärke der lokalen zur nicht-lokalen Wechselwirkung bestimmt, nur ein kleines bisschen variiert, dann sieht unser Universum ganz anders aus. Unsere Simulationen bieten ein völlig neues Werkzeug, um die Verbindung von Kernstruktur zu den Kernkräften genauer zu verstehen.“


Diese Newsmeldung wurde erstellt mit Materialien von idw-online


News der letzten 2 Wochen


Meldung vom 17.01.2019

Wie Moleküle im Laserfeld wippen

Wenn Moleküle mit dem oszillierenden Feld eines Lasers wechselwirken, wird ein unmittelbarer, zeitabhängiger ...

Meldung vom 16.01.2019

Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedanken ...

Meldung vom 15.01.2019

Kieler Physiker entdecken neuen Effekt bei der Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern

Plasmen finden sich im Inneren von Sternen, werden aber auch in speziellen Anlagen im Labor künstlich erzeugt ...

Meldung vom 14.01.2019

Vermessung von fünf Weltraum-Blitzen

Ein am PSI entwickelter Detektor namens POLAR hat vom Weltall aus Daten gesammelt. Im September 2016 war das G ...

Meldung vom 14.01.2019

Mit Satelliten den Eisverlust von Gletschern messen

Geographen der FAU untersuchen Gletscher Südamerikas so genau wie nie zuvor.

Meldung vom 14.01.2019

5000 mal schneller als ein Computer

Ein atomarer Gleichrichter für Licht erzeugt einen gerichteten elektrischen Strom. Wenn Licht in einem Halble ...

Meldung vom 14.01.2019

Isolatoren mit leitenden Rändern verstehen

Isolatoren, die an ihren Rändern leitfähig sind, versprechen interessante technische Anwendungen. Doch bishe ...

Meldung vom 10.01.2019

Ionenstrahlzerstäuben - Abscheidung dünner Schichten mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Dünne Schichten mit Schichtdicken im Bereich weniger Nanometer spielen eine zentrale Rolle in vielen technolo ...

Meldung vom 10.01.2019

Wie Gletscher gleiten

Der Jülicher Physiker Bo Persson hat eine Theorie zum Gleiten von Gletschereis auf felsigem Boden vorgestellt ...

Meldung vom 08.01.2019

Neue Einblicke in die Sternenkinderstube im Orionnebel

Team unter Kölner Beteiligung zeigt: Winde eines jungen Sternes verhindern die Bildung neuer Sterne in der Na ...

Meldung vom 08.01.2019

Dissonanzen in der Quantenschwingung

Neuartige Quanteninterferenz in atomar dünnen Halbleitern entdeckt.

Meldung vom 07.01.2019

Photovoltaik-Trend Tandemsolarzellen: Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis

Siliciumsolarzellen dominieren heute den Photovoltaikmarkt aber die Technologie nähert sich dem theoretisch m ...

Meldung vom 07.01.2019

Forscher erzeugen Hybridsystem mit verschiedenen Quantenbit-Arten

Einem japanisch-deutschen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, Informationen zwischen verschiedenen Arten ...

Meldung vom 21.12.2018

Mit Quanten-Tricks die Rätsel topologischer Materialien lösen

„Topologische Materialen“ sind technisch hochinteressant, aber schwer zu messen. Mit einem Trick der TU Wi ...

Meldung vom 21.12.2018

Moleküle aus mehreren Blickwinkeln

Lasergetriebene Röntgen-Laborquellen liefern neue Einsichten - Forscher am MBI haben erfolgreich Absorptionss ...

Meldung vom 21.12.2018

Beschreibung rotierender Moleküle leicht gemacht

Interdisziplinäres Wissenschaftlerteam entwickelt neue numerische Technik zur Beschreibung von Molekülen in ...



19.12.2018:
Tanz mit dem Feind
11.12.2018:
Die Kraft des Vakuums
30.11.2018:
Von der Natur lernen
24.11.2018:
Kosmische Schlange


11.05.2018:
Vorsicht, Glatteis!

Newsletter

Neues aus der Forschung