Neutron überrascht Physiker

Rätselhafte Oszillation: Physiker haben die Eigenschaften des Neutrons neu vermessen – und Überraschendes beobachtet. Denn die elektromagnetischen Formfaktoren des Kernbausteins verändern sich nicht gleichmäßig mit steigender Energie, sondern schwanken periodisch. Diese auch schon beim Proton beobachtete Oszillation ist bislang theoretisch nicht erklärbar, wie das Team in „Nature Physics“ erklärt. Sie deutet aber auf eine interne Struktur des Neutrons hin, die dynamischer und komplexer ist als gedacht.

Die jeweils aus drei Quarks bestehenden Protonen und Neutronen sind die Grundbausteine der Materie – sie bilden gemeinsam den Atomkern. Doch trotz dieser fundamentalen Bedeutung geben die Kernbausteine noch Rätsel auf. Selbst bei so grundlegenden Merkmalen wie Lebensdauer, Größe und innere Struktur gibt es große Unsicherheiten. Immer wieder beobachten Physiker zudem Phänomene, die nicht mit den theoretischen Modellen übereinstimmen.

Das Geheimnis des Formfaktors

Ein neuer Einblick in die Merkmale des Neutrons ist nun Physikern der BESIII-Kollaboration gelungen. Ziel des Experiments war es, die sogenannten elektromagnetischen Formfaktoren des Neutrons genauer zu bestimmen. Sie beschreiben die mittlere Verteilung von elektrischer Ladung und Magnetisierung innerhalb des Neutrons und liefern so Anhaltspunkte für Verhalten und Anordnung der drei über Gluonen verbundenen Quarks in ihrem Inneren.

„Ein einzelner Formfaktor, gemessen bei einer bestimmten Energie, sagt zunächst einmal nicht viel aus“, erläutert Frank Maas vom Helmholtz-Institut Mainz (HIM). „Erst die Kenntnis der Formfaktoren bei verschiedenen Energien erlaubt Rückschlüsse auf die Struktur des Neutrons.“ Weil es bisher kaum Messungen im Energiebereich von zwei bis 3,8 Gigaelektronenvolt gab, hat das Team diese Lücke nun durch Annihilations-Experimente geschlossen.

Dafür untersuchten die Physiker die Eigenschaften von Neutronen und Antineutronen, die bei Kollisionen von Elektronen und Positronen im BESIII-Teilchenbeschleuniger in China erzeugt wurden. „Im übertragenen Sinne haben wir einen weißen Fleck auf der Landkarte der Neutron-Formfaktoren mit neuen Daten ausgefüllt“, sagt Maas.

Oszillation widerspricht Modellen

Die Analysen lieferten gleich mehrere neue Erkenntnisse. Eine davon: Der Formfaktor des Neutrons ergibt in Abhängigkeit der Energie keine glatte Linie, sondern zeigt ein oszillierendes Muster. Mit zunehmender Energie werden die Ausschläge dabei immer kleiner. Dieses überraschende Verhalten stellte eine deutliche Abweichung vom erwarteten Verhalten dar, wie die Physiker erklären. Allerdings: Auch beim Proton wurde kürzlich schon eine solche Oszillation beobachtet.

„Wir beobachten nun ein korrespondierendes Verhalten mit ähnlicher Frequenz auch beim Neutron, aber mit einer großen Phasenverschiebung“, schreiben die Wissenschaftler. „Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass es noch nicht verstandene intrinsische Dynamiken in den Nukleonen gibt, die für diese fast orthogonalen Oszillationen verantwortlich sind.“ Mit anderen Worten: Im Inneren der Kernbausteine geht irgendetwas vor sich, das die gängigen Modelle bisher nicht erfassen.

„Nun sind unsere Kollegen in der Theorie gefragt, Modelle für dieses außergewöhnliche Verhalten zu entwickeln“, sagt Maas.

Frühere Abweichung widerlegt

Die neuen Messungen enthüllen aber auch, dass eine in früheren Messungen festgestellte Diskrepanz offenbar doch nicht existiert. Dabei hatten Forscher für das Neutron eine stärkere Kopplung mit virtuellen Photonen nachgewiesen als für das Proton – das Neutron müsste demnach durchgehend einen größeren Formfaktor zeigen als das Proton. Das aber widerspricht grundlegenden Theorien: „Da das Proton geladen ist, würde man es genau umgekehrt erwarten“, so Maas.

Die Daten des BESIII-Experiments widerlegen nun das frühere Ergebnis: „Unser Resultat zeigt, dass die Photon-Proton-Interaktion stärker ist als die korrespondierende Photon-Neutron-Interaktion – so wie es von den meisten theoretischen Modellen vorhergesagt wird“, schreibt das Team. „Das klärt ein mehr als 20 Jahre altes Rätsel um diese Wechselwirkung.“

Wichtig auch für die Astrophysik

Die neuen Messdaten tragen somit dazu bei, zumindest einige Rätsel rund um diese Bausteine der Materie zu lösen. Auch wenn viele fundamentale Eigenschaften von Neutron und Protos damit noch lange nicht vollends aufgeklärt sind, liefern sie zumindest neue Ansatzpunkte für die Erforschung der Kernbausteine und ihres Verhaltens.

Diese Erkenntnisse kommen nicht nur der Teilchenphysik und Materialforschung zugute, sondern können auch in der Astrophysik neue Einsichten erbringen: „Wir können durch den Blick auf die kleinsten Bausteine der Materie auch Phänomene verstehen, die sich in den größten Dimensionen abspielen – wie die Verschmelzung zweier Neutronensterne. Diese Physik der Extreme ist schon sehr faszinierend“, sagt Maas. (Nature Physics, 2021; doi: 10.1038/s41567-021-01345-6)

Quelle: Universität Mainz