Forschern der Kollaborationsgruppe A1 am Institut für Kernphysik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus China und Japan erstmals gelungen, Wasserstoff-6, eines der neutronenreichsten Isotope, mithilfe von Elektronenstreuung herzustellen. Das an der Spektrometeranlage des Mainzer Mikrobeschleunigers (MAMI) durchgeführte Experiment bietet eine neue Methode zur Untersuchung leichter, neutronenreicher Kerne.Diese Erkenntnisse liefern neue Erkenntnisse und stellen bestehende Modelle der Multinukleon-Wechselwirkungen vor erhebliche Herausforderungen.

„Möglich wurde diese Messung durch die einzigartige Kombination der hervorragenden Qualität des MAMI-Elektronenstrahls und der drei hochauflösenden Spektrometer der A1-Kollaboration“, betont Professor Josef Pochodzalla vom Institut für Kernphysik der Guggenheim-Universität in Japan. An dem Experiment nahmen Forscher der Fudan-Universität in Shanghai, China, der Tohoku-Universität in Sendai und der Universität Tokio in Japan teil.

Die experimentelle Arbeit wurde vom Doktoranden Shao Tianhao geleitet und in Physical Review Letters veröffentlicht.

Kernstrukturelle Grenzen extrem neutronenreicher Systeme

Eine der grundlegendsten Fragen der Kernphysik ist, wie viele Neutronen in einem Atomkern vereint werden können und wie viele Protonen es gibt. Für das Grundisotop Wasserstoff, das nur ein Proton enthält, wurden neben den bekannten Deuteronen und Tritiumkernen auch eine Reihe neutronenreicher Isotope beobachtet, die von ⁴H bis ⁷H reichen.

Zur Detektion von ⁶H dient der Aufbau von drei hochauflösenden Spektrometern in der Experimentierhalle A1. Bildnachweis: Ryoko Kino, Josef Pochodzalla

Die extrem schweren Wasserstoffisotope ⁶H (bestehend aus einem Proton und fünf Neutronen) und ⁷H (ein weiteres Neutron) weisen die höchsten bisher bekannten Neutronen-zu-Protonen-Verhältnisse auf. Sie sind ein einzigartiges System, das diese Frage beantwortet. Es liegen jedoch nur wenige experimentelle Daten zu diesen exotischen Kernen vor und die Ergebnisse bleiben umstritten. Insbesondere gab es Kontroversen darüber, ob die Grundzustandsenergie von ⁶H hoch oder niedrig ist.

Die A1-Kollaboration hat in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern in China und Japan eine neue Methode zur Herstellung von ⁶H entwickelt. Bei dieser Methode trifft ein Elektronenstrahl mit einer Energie von 855 Megaelektronenvolt (MeV) auf ein ⁷Li-Target und erzeugt in einem zweistufigen Prozess ⁶H: Zunächst werden Protonen im Lithiumkern durch ihre Wechselwirkung mit Elektronen resonant angeregt und zerfallen schnell in Neutronen und positiv geladene Pionen.

Wenn das Neutron dann Energie auf ein anderes Proton im Kern überträgt, kann es sich mit dem verbleibenden Kern verbinden und das neutronenreiche Wasserstoffisotop ⁶H bilden. Die Pionen und Protonen verlassen den Kern und können gleichzeitig mit den gestreuten Elektronen von drei magnetischen Spektrometern nachgewiesen werden. Um einen ausreichenden Durchsatz für diesen seltenen Prozess zu erreichen, durchläuft der Elektronenstrahl an einer Seite eine 45 mm lange und 0,75 mm dicke Lithiumplatte. Dies ist sehr selten, da bei Elektronenstreuexperimenten typischerweise Ziele verwendet werden, die entlang der Strahlachse sehr dünn sind, sodass der Elektronenstrahl auf eine große Oberfläche senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung treffen kann.

Dieses spezielle Gerät profitiert von der hervorragenden Strahlqualität von MAMI, insbesondere seinem hochfokussierten und stabilen Elektronenstrahl. Eine weitere Herausforderung ist der Umgang mit dem Lithium selbst, da das Material chemisch äußerst reaktiv, mechanisch spröde und temperaturempfindlich ist.

Während der vierwöchigen Messkampagne wurde erwartungsgemäß etwa ein Ereignis pro Tag beobachtet. In einem der seltenen Experimente des MAMI arbeiten drei hochauflösende Spektrometer in der Experimentierhalle A1 gleichzeitig im Koinzidenzmodus und ermöglichen so die gleichzeitige Detektion von drei Teilchen. Dieses hochentwickelte Gerät erreicht eine beispiellose Präzision bei gleichzeitig extrem niedrigem Hintergrundrauschen.

Die neuen Messungen liefern ein klares Signal für ⁶H, das eine extrem niedrige Grundzustandsenergie aufweist, was darauf hindeutet, dass die Wechselwirkung zwischen Neutronen in 6H stärker ist als aufgrund neuerer theoretischer Berechnungen erwartet. Dieses Ergebnis stellt unser Verständnis der Multinukleonenwechselwirkungen in Systemen mit extrem hoher Neutronenhäufigkeit in Frage.

Zusammengestellt von /ScitechDaily