Neu berechnet: Atomkerne können winzige Magnete sein. Ihr magnetisches Moment ließ sich bislang zwar gut messen, aber nur unzureichend berechnen. Dieses Problem haben Physiker jetzt gelöst, indem sie erstmals Wechselwirkungen von Elementarteilchen innerhalb der Atomkerne berücksichtigt haben. Die Berechnungen stimmen nun besser mit den Messwerten überein und könnten künftig auch neue Einblicke in die Welt der Neutrinos ermöglichen.
Im Innern von Atomkernen schwirren Protonen und Neutronen umher und wechselwirken dynamisch miteinander. Beispielsweise bilden sie kurzzeitige Paare. Die Bewegung dieser Kernteilchen sowie deren Eigendrehimpulse induzieren dabei magnetische Momente und können so aus den Atomkernen winzige Magnete machen.
„Mit laserspektroskopischen Methoden lässt sich das magnetische Moment selbst von exotischen, kurzlebigen Kernen sehr präzise bestimmen“, erklärt Achim Schwenk von der Technischen Universität Darmstadt. Das magnetische Moment der Atomkerne lässt sich demnach relativ leicht messen, es theoretisch zu berechnen war bislang jedoch deutlich schwieriger. Die experimentell gemessenen und die berechneten Werte klafften dadurch bei den Kernen vieler Elemente auseinander.
Zwei-Teilchen-Ströme im Atomkern
Das Team um Schwenk und Erstautor Takayuki Miyagi hat nun einen Weg gefunden, um das magnetische Moment präziser zu berechnen. Dafür bezogen die Physiker in ihre Berechnungen erstmals die Tatsache mit ein, dass die verschiedenen Kernteilchen in leichten Elementen während der Messung ihres magnetischen Moments nicht nur mit dem Licht des Lasers, sondern auch miteinander wechselwirken.
Dabei tauschen die Protonen und Neutronen geladene Teilchen miteinander aus, sodass im Atomkern sogenannte Zwei-Teilchen-Ströme fließen, wie die Forschenden erklären. „Die Berücksichtigung der Zwei-Teilchen-Ströme hat die Berechnung der magnetischen Momente deutlich verbessert“, erklärt Miyagi.
Präzisere Berechnungen von Atomkernen möglich
Die berechneten Werte der magnetischen Momente von Atomkernen stimmen dadurch nun besser mit den gemessenen überein als je zuvor, insbesondere bei schweren Kernen, wie die Physiker berichten. Die neuen Rechnungen funktionierten sogar für die Kerne verschiedenster Elemente beziehungsweise Isotope – von relativ leichten wie Sauerstoff bis zu schweren wie Bismut.
Die Ergebnisse belegen auch, dass manche Kerne stabiler sind als andere, etwa bei den Calciumisotopen 48Ca und 40Ca – passend zur Theorie der stabilisierenden Kernschalen. Demnach sind Atomkerne mit einer bestimmten „magischen Zahl“ an Protonen und Neutronen besonders robust, weil ihre Schalen komplett gefüllt sind.
Neue Erkenntnisse über Neutrinos in Sicht?
„In der Beschreibung von Atomkernen sind wir jetzt einen entscheidenden Schritt vorangekommen“, sagt Schwenk. Das hilft unter anderem bei der Entwicklung von Atom-Uhren. Doch in der subatomaren Welt gibt es noch viel zu entdecken, wie die Physiker betonen. „Die elektromagnetischen Eigenschaften und somit auch das Verhalten der Kerne mit elektromagnetischen Feldern sind verstanden, nun können wir die nächsten Fragen angehen“, so Schwenk.
Die Einbeziehung von Zwei-Teilchen-Strömen könnte zum Beispiel zu weiteren Durchbrüchen in der Kern- und Teilchenphysik beitragen – unter anderem in der Erforschung der Eigenschaften von Neutrinos, die ebenfalls mit Atomkernen wechselwirken können. (Physical Review Letters, 2024; doi: 10.1103/PhysRevLett.132.232503)
Quelle: Technische Universität Darmstadt
