Von wegen rund: LHC kann geometrische Form von Atomkernen messen
Physiker am Large Hadron Collider (LHC) am europäischen Forschungszentrum CERN haben Hinweise darauf gefunden, dass Atomkerne des Edelgases Neon eine ungewöhnliche, zigarren- oder bowlingkegelartige Form besitzen.
Der Atomkern bildet das Zentrum jedes Atoms. Er besteht aus Protonen und Neutronen und enthält nahezu die gesamte Masse des Atoms. In Schulbüchern wird er häufig als annähernd kugelförmig dargestellt. Tatsächlich können Atomkerne jedoch deutlich von dieser Form abweichen. So gilt etwa für Radium-224 eine birnenartige Struktur als wahrscheinlich.
Direkt beobachten lassen sich solche Formen allerdings nicht ohne Weiteres. Aufgrund der Quantenmechanik verändert sich die Ausrichtung eines Atomkerns ständig, sodass ein nicht kugelförmiger Kern bei einer gewöhnlichen Messung dennoch wie eine Kugel erscheinen kann. Die Forscher machten sich deshalb die Eigenschaften hochenergetischer Kernkollisionen zunutze.
Die CMS-Kollaboration verglich dazu die Ergebnisse von Kollisionen zweier verschiedener Atomkerne: Sauerstoff-16 und Neon-20. Beide Kerne besitzen eine ähnliche Masse, unterscheiden sich aber vermutlich deutlich in ihrer inneren Geometrie. Für Sauerstoff-16 wird eine tetraederartige Struktur erwartet, während Neon-20 eher die Form eines länglichen Bowlingpins haben soll.
Tatsächlich zeigten sich Unterschiede beim elliptischen Fluss, insbesondere bei besonders zentralen Kollisionen. Das spricht dafür, dass die Form der Atomkerne die kollektive Bewegung der entstehenden Materie beeinflusst. Bei der dreieckigen Komponente stimmten die Messungen allerdings noch nicht vollständig mit den theoretischen Vorhersagen überein. Weitere Untersuchungen sind daher erforderlich.
Die Studie liefert damit keinen direkten "Schnappschuss" eines winzigen Bowlingpins, aber ein messbares Indiz für die Verformung von Neon-Kernen. Die am CERN gewonnenen Daten zeigen, dass selbst die räumliche Anordnung von Protonen und Neutronen Spuren in den Teilchenschauern hinterlassen kann. Teilchenbeschleuniger könnten damit zukünftig ein wichtiges Werkzeug sein, um die bislang schwer zugängliche Geometrie von Atomkernen zu erforschen.
Siehe auch:
Beobachtung geht nur indirekt
Im Modell werden Atomkerne in aller Regel kugelförmig dargestellt. Es ist allerdings eine besondere Leistung, dass sich jetzt die geometrische Struktur eines Atomkerns anhand der Teilchenverteilung nach einer Kollision indirekt nachweisen lässt. Die Ergebnisse könnten neue Möglichkeiten eröffnen, den Aufbau von Atomkernen zu untersuchen.Der Atomkern bildet das Zentrum jedes Atoms. Er besteht aus Protonen und Neutronen und enthält nahezu die gesamte Masse des Atoms. In Schulbüchern wird er häufig als annähernd kugelförmig dargestellt. Tatsächlich können Atomkerne jedoch deutlich von dieser Form abweichen. So gilt etwa für Radium-224 eine birnenartige Struktur als wahrscheinlich.
Direkt beobachten lassen sich solche Formen allerdings nicht ohne Weiteres. Aufgrund der Quantenmechanik verändert sich die Ausrichtung eines Atomkerns ständig, sodass ein nicht kugelförmiger Kern bei einer gewöhnlichen Messung dennoch wie eine Kugel erscheinen kann. Die Forscher machten sich deshalb die Eigenschaften hochenergetischer Kernkollisionen zunutze.
Die CMS-Kollaboration verglich dazu die Ergebnisse von Kollisionen zweier verschiedener Atomkerne: Sauerstoff-16 und Neon-20. Beide Kerne besitzen eine ähnliche Masse, unterscheiden sich aber vermutlich deutlich in ihrer inneren Geometrie. Für Sauerstoff-16 wird eine tetraederartige Struktur erwartet, während Neon-20 eher die Form eines länglichen Bowlingpins haben soll.
Neuer Forschungsweg eröffnet
Die Wissenschaftler untersuchten, wie sich die bei den Kollisionen entstehenden Teilchen ausbreiten. Dabei interessierten sie sich insbesondere für charakteristische Muster, die als elliptischer und dreieckiger Fluss bezeichnet werden. Diese Verteilungen können Rückschlüsse darauf erlauben, welche Form die kollidierenden Atomkerne ursprünglich hatten.Tatsächlich zeigten sich Unterschiede beim elliptischen Fluss, insbesondere bei besonders zentralen Kollisionen. Das spricht dafür, dass die Form der Atomkerne die kollektive Bewegung der entstehenden Materie beeinflusst. Bei der dreieckigen Komponente stimmten die Messungen allerdings noch nicht vollständig mit den theoretischen Vorhersagen überein. Weitere Untersuchungen sind daher erforderlich.
Die Studie liefert damit keinen direkten "Schnappschuss" eines winzigen Bowlingpins, aber ein messbares Indiz für die Verformung von Neon-Kernen. Die am CERN gewonnenen Daten zeigen, dass selbst die räumliche Anordnung von Protonen und Neutronen Spuren in den Teilchenschauern hinterlassen kann. Teilchenbeschleuniger könnten damit zukünftig ein wichtiges Werkzeug sein, um die bislang schwer zugängliche Geometrie von Atomkernen zu erforschen.
Zusammenfassung
- Physiker am CERN fanden Hinweise auf verformte Atomkerne von Neon-20
- In Schulbüchern werden Atomkerne meistens als runde Kugeln gezeigt
- Wegen der Quantenmechanik ist eine direkte Beobachtung sehr schwer
- Die CMS-Kollaboration verglich Sauerstoff-16-Kerne mit Neon-20-Kernen
- Forscher analysierten die Ausbreitung aller entstehenden Teilchen
- Unterschiede beim elliptischen Fluss deuten auf die Verformung hin
- Zukünftig könnten Beschleuniger die Geometrie von Kernen erforschen
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