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Klareres Bild von der Welt der Kerne

Ein präzises und empfindliches Verfahren zur Messung des Verhaltens der Kerne, die sich im Zentrum von Atomen befinden, könnte unser Verständnis der innersten Struktur des Universums revolutionieren.

Grundlagenforschung

Der Atomkern als das Herzstück sämtlicher Materie setzt sich aus einer Ansammlung von Protonen und Neutronen zusammen. Jedes Atom besteht aus einem positiv geladenen Atomkern, der von einer Wolke negativ geladener Elektronen umgeben ist. Auch wenn seine Existenz bereits vor mehr als 100 Jahren entdeckt wurde, verfügt die Wissenschaft noch immer über kein lückenloses Verständnis seiner Eigenschaften. „Die wesentliche Herausforderung in Bezug auf das Wissen über den Atomkern stellt die Tatsache dar, dass die zwischen den Nukleonen, den Protonen und Neutronen, herrschende Kraft derzeit nicht genau definiert ist“, erklärt Kieran Flanagan, Professor für Kernphysik an der Universität Manchester im Vereinigten Königreich. „Es gibt jedoch bestimmte Atomkerne, die eine relativ einfache Struktur aufweisen. Und diese Kernsysteme sind das ideale Laboratorium, um die zwischen den Nukleonen wirkenden Kräfte besser zu verstehen. Viele dieser Kerne sind jedoch kurzlebig und können nur in speziellen Nuklearanlagen erforscht werden.“

Die kurzlebigen Atomkerne studieren

Das EU-finanzierte Projekt FNPMLS wurde mit dem Ziel ins Leben gerufen, diese kurzlebigen Kerne genauer zu vermessen und einem breiteren wissenschaftlichen Publikum ein anwendbares Verfahren zur Verfügung zu stellen. Mit der Entwicklung der sogenannten kollinearen Resonanzionisationsspektroskopie (Collinear Resonance Ionisation Spectroscopy, CRIS) wurde dieses Vorhaben realisiert. Das Verfahren wendet Laserspektroskopie an, um Kerne hochauflösend zu vermessen. Das Projekt wurde in der Einrichtung ISOLDE am CERN, der weltweit führenden Anlage für radioaktive Strahlung, durchgeführt. „Kollineare Resonanzionisationsspektroskopie wurde erstmals in den frühen 1980ern als Mittel zur Durchführung gleichzeitig hochpräziser und hochempfindlicher Messungen vorgeschlagen“, fügt Flanagan hinzu. „Sie könnte möglicherweise ideal für die Untersuchung dieser kurzlebigen Kerne geeignet sein.“ Während Flanagan und sein Team zuvor bereits die hohe Empfindlichkeit der CRIS-Methode demonstrieren konnten, war die Kombination aus hoher Präzision und hoher Empfindlichkeit noch nicht experimentell umgesetzt worden. „Hauptziel dieses Projekts war vorzuführen, dass die CRIS-Methode dies leisten kann“, erklärt Flanagan. „Erreicht wurde das Ziel durch die Entwicklung eines neuartigen Wechsellichtverfahrens, bei dem Resonanz- und Ionisationsschritte gegeneinander verzögert werden. Dadurch wurde unsere Auflösung um mehr als den Faktor 50 verbessert.“

Weiterentwicklung der Atomkerntheorie

Das Projekt FNPMLS baut auf dem von Flanagan als „stille Revolution“ bezeichneten Fortschritt in der Nukleartheorie auf, der auf die rasche Ausweitung der Rechenleistung zurückgeht. Dank dieser Expansion konnte die Nuklearwissenschaft nun die Eigenschaften der Atomkerne genauer vorhersagen. Flanagan sieht dieses Projekt als eine Fortsetzung jenes Fortschritts, die der Wissenschaft ein potenziell wertvolles Instrument zum besseren Verständnis der grundlegenden Wechselwirkungen innerhalb des Atomkerns verschafft. Die im Rahmen des Projekts durchgeführten Experimente haben bereits zu einem besseren Verständnis der Atomkerne beigetragen und die Atomkerntheorie bereichert. „Die Empfindlichkeit der CRIS-Methode hat ganz neue Möglichkeiten zur Untersuchung kurzlebiger radioaktiver Moleküle, wie etwa von Radiummonofluorid (RaF), eröffnet“, betont Flanagan. „Aufgrund von Schwierigkeiten bei der Vorbereitung radioaktiver Radiummonofluoridproben sind noch keine experimentellen Studien durchgeführt worden. Wir konnten jedoch erstmalig die molekulare Struktur von Radiummonofluorid messen und zeigen, dass die CRIS-Methode ein ideales Werkzeug zur Untersuchung dieser kurzlebigen Systeme ist.“ Die hohe Empfindlichkeit der CRIS-Methode eignet sich außerdem dazu, weitere Verfahren zu verbessern. Zum Beispiel kann die Leistung der Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma gesteigert werden. Dieses Verfahren kommt in einigen kritischen Bereichen, beispielsweise bei der Charakterisierung von schwach radioaktivem Abfall und bei der Bodensanierung, zum Einsatz. „Seitdem haben wir eine Zusammenarbeit mit dem Nationalen Kernforschungslabor und der Behörde für die Stilllegung kerntechnischer Anlagen im Vereinigten Königreich aufgebaut“, berichtet er. „Außerdem haben wir ein Stipendium zur Finanzierung einer Doktorarbeit erhalten, um mit der Entwicklung dieses Konzepts beginnen zu können.“

Schlüsselbegriffe

FNPMLS, nuklear, kerntechnisch, atomar, Kern, Proton, Elektron, Nukleon, Spektroskopie, Physik

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