Symmetriebruch im Atomkern

Widerspruch zur Theorie: Eigentlich müssten Atomkerne mit gleichem Gesamtgewicht, aber vertauschten Neutronen- und Protonenzahlen sich wie Spiegelbilder verhalten. Doch zumindest ein Paar dieser „Spiegelkerne“ tut dies nicht, wie nun ein Experiment belegt. Demnach zeigt Strontium-73 ein anderes Verhalten und eine andere Kernstruktur als Brom-73. Warum die Symmetrie hier gebrochen wird, müsse nun erforscht werden, so die Forscher im Fachmagazin „Nature“.

Ähnlich wie die Elektronen in Orbitalen um den Atomkern kreisen, besitzt auch der Atomkern eine Struktur. Demnach existieren im Kern quantenmechanisch bedingte „Schalen“, die von den Protonen und Neutronen sukzessive aufgefüllt werden. Dies könnte erklären, warum Atomkerne mit bestimmten Neutronen- und Protonenzahlen besonders stabil sind – diese „magischen Zahlen“ entsprechen jeweils einer vollen Kernschale, so die Theorie.

„Spiegelbilder“ mit vertauschten Kernbausteinen

Doch es gibt noch eine Besonderheit in der Atomkern-Struktur: Protonen und Neutronen gelten formal als zwei Zustände derselben Teilchenart. Zwar ist ihre Ladung unterschiedlich, aber beide bestehen nur aus leichten Up- und Down-Quarks und die starke Kernkraft wirkt auf beide gleich – weshalb beiden der gleiche sogenannte Isospin von 1/2 zugeordnet wird.

Der Clou daran: „Aus dieser Spin-Zuordnung ergibt sich eine Spiegelsymmetrie“, erklären Daniel Hoff von der University of Massachusetts und seine Kollegen. Konkret bedeutet dies, dass ein Atomkern mit 38 Protonen und 35 Neutronen eine Art Spiegelbild eines Atomkerns mit 35 Protonen und 38 Neutronen sein. Diese „Spiegel-Atomkerne“ müssten ein ähnliches Verhalten und ähnliche Quantenmerkmale zeigen – so jedenfalls die gängige Theorie.

Strontium-73 und Brom-73 im Vergleichstest

Ob das stimmt, haben Hoff und sein Team nun an den beiden Isotopen Strontium-73 und Brom-73 überprüft. Das extrem kurzlebige Isotop Strontium besitzt 38 Protonen und 35 Neutronen, Beim Brom-73 ist es umgekehrt. Für ihr Experiment erzeugten die Forscher zunächst gut 400 Strontium-73-Kerne durch Zerfall von radioaktivem Molybdän und analysierten anschließend ihr Zerfallsverhalten in einem Detektor am National Superconducting Cyclotron Laboratory in Michigan.

Das Ergebnis: Entgegen den Erwartungen verhält sich Strontium-73 deutlich anders als sein „Spiegelpartner“ Brom-73. Nach Ansicht der Forscher deutet dies daraufhin, dass auch die Struktur dieser Atomkerne weniger symmetrisch ist als bislang angenommen. „Die beiden Atomkerne sollten in ihrer Struktur identisch sein, aber überraschenderweise sind sie dies nicht, wie wir festgestellt haben“, sagt Hoff.

Erst der zweite Symmetriebruch dieser Art

Der Symmetriebruch zwischen diesen beiden Spiegelkernen ist erst der zweite, bei dem unterschiedliche Grundzustände der Partneratomkerne nachgewiesen wurde, wie die Forscher erklären. Das einzige andere bisher bekannte Beispiel ist das Paar Fluor-16 und Stickstoff-16. Allerdings sei dieser Fall durch verschiedene Bindungszustände dieser Atomkerne zu erklären. „Bei Strontium-73 und Brom-73 ist ein solcher Mechanismus hingegen nicht beobachtbar“, so Hoff und seine Kollegen.

Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte dies darauf hindeuten, dass die Theorien zur Struktur des Atomkerns und zum Verhalten der Kernbausteine möglicherweise unvollständig sind. „Wenn Symmetrien gebrochen werden, dann verrät uns das meist, dass mit unseren Modellen etwas nicht stimmt und dass wir näher hinschauen müssen“, sagt Hoffs Kollege Andrew Rogers.

Chance für neue Einblicke in den Atomkern

Allerdings halten es Hoff und sein Team nicht grundsätzlich für erstaunlich, dass es überhaupt Brüche dieser Atomkern-Symmetrie gibt. „Denn der isobarische Spin bietet eindeutig keine perfekte Symmetrie, wenn man berücksichtigt, dass Protonen und Neutronen verschiedene Ladungen und leicht unterschiedliche Massen besitzen“, so die Forscher. Auch die magnetischen Momente seien sowohl in Stärke als auch Polung verschieden.

„Angesichts dieser Unterschiede ist es eher bemerkenswert, dass die isobarische Spin-Symmetrie sich bisher als so robust erwiesen hat“, so Hoff und seine Kollegen. Umso spannender sei es, wenn dann diese Symmetrie doch zusammenbreche – dies biete eine Chance, mehr über die im Inneren des Atomkerns wirkenden Kräfte zu lernen.

Neue Testanlagen nötig

Allerdings sind zunächst weitere Experimente nötig, um genau zu ermitteln, in welchem Maße die isobarische Spin-Spiegelsymmetrie gebrochen wurde. „Solche Messungen sind mit den existierenden Anlagen schwierig, weil die Ausbeute an Strontium-73-Kernen so gering ist“, erklären die Forscher. „Aber wenn künftig neue Anlagen in Betrieb gehen, dann können wir solchen exotischen Atomkerne besser erforschen – und so ein tieferes Verständnis dieser Sprünge im isobarischen Spin-Spiegel bekommen.“ (Nature, 2020; doi: 10.1038/s41586-020-2123-1)

Quelle: University of Massachusetts Lowell