Karte der nuklearen Deformation nimmt die Form einer Berglandschaft an

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Bis vor kurzem glaubten Wissenschaftler, dass nur sehr massereiche Kerne angeregte Null-Spin-Zustände von erhöhter Stabilität mit einer deutlich verformten Form haben könnten. Inzwischen hat ein internationales Team von Forschern aus Rumänien, Frankreich, Italien, den USA und Polen in ihrem neuesten Artikel gezeigt, dass solche Zustände auch in viel leichteren Nickelkernen existieren. Die positive Verifizierung des theoretischen Modells, das in diesen Experimenten verwendet wurde, ermöglicht es, die Eigenschaften von Kernen zu beschreiben, die in irdischen Labors nicht verfügbar sind.
Mehr als 99,9 Prozent der Masse eines Atoms stammen aus dem Atomkern, dessen Volumen über eine Billion Mal kleiner ist als das Volumen des gesamten Atoms. Daher hat der Atomkern eine erstaunliche Dichte von etwa 150 Millionen Tonnen pro Kubikzentimeter.

Das bedeutet, dass ein Esslöffel Kernmaterie fast so viel wiegt wie ein Kubikkilometer Wasser.

Trotz ihrer sehr geringen Größe und unglaublichen Dichte sind Atomkerne komplexe Gebilde aus Protonen und Neutronen.
Man könnte erwarten, dass solch extrem dichte Objekte immer eine kugelförmige Gestalt annehmen würden.

In der Realität sieht es jedoch ganz anders aus: Die meisten Kerne sind verformt – sie weisen eine entlang einer oder sogar zweier Achsen abgeflachte oder gestreckte Form auf, und zwar gleichzeitig.

Um die bevorzugte Form eines gegebenen Kerns zu finden, ist es üblich, eine Landschaft der potentiellen Energie als Funktion der Deformation zu konstruieren.

Man kann eine solche Landschaft visualisieren, indem man eine Karte zeichnet, auf der die Ebenen-Koordinaten die Deformationsparameter sind, d.h. die Grade der Streckung oder Abflachung entlang der beiden Achsen, während die Farbe die Energiemenge angibt, die benötigt wird, um den Kern in eine bestimmte Form zu bringen. Eine solche Karte ist eine vollständige Analogie zu einer geographischen Karte des Gebirgsgeländes.
Wenn ein Kern in der Kernreaktion gebildet wird, erscheint er an einem bestimmten Punkt der Landschaft – er nimmt eine bestimmte Verformung an.

Er beginnt dann zu gleiten (Verformung ändern) in Richtung des Punktes mit der niedrigsten Energie (stabile Verformung).

In einigen Fällen kann es jedoch, bevor es den Grundzustand erreicht, für eine Weile in einem lokalen Minimum, einer Falle, gestoppt werden, was einer metastabilen Verformung entspricht.

Dies ist vergleichbar mit Wasser, das an einer bestimmten Stelle im Gebirge entspringt und nach unten fließt.

Bevor es das tiefste Tal erreicht, kann es für einige Zeit in lokalen Vertiefungen gefangen sein.

Wenn ein Bach die lokale Senke mit dem tiefsten Punkt der Landschaft verbindet, wird das Wasser nach unten fließen.

Wenn die Senke gut isoliert ist, wird das Wasser dort für eine sehr lange Zeit bleiben.
Experimente haben gezeigt, dass lokale Minima in der Kerndeformationslandschaft bei Spin Null nur in massiven Kernen mit Ordnungszahlen größer als 89 (Actinium) und einer Gesamtzahl von Protonen und Neutronen weit über 200 existieren. Solche Kerne können in diesen sekundären Minima bei metastabiler Deformation für eine Zeitspanne gefangen sein, die sogar zig-Millionen Mal länger ist als die Zeit, die benötigt wird, um den Grundzustand zu erreichen, ohne durch die Falle abgebremst zu werden.
Bis vor einigen Jahren war ein angeregter Null-Spin-Zustand, der mit metastabiler Deformation einhergeht, bei Kernen leichterer Elemente nie beobachtet worden.

Das änderte sich vor einigen Jahren, als man in Nickel-66, dem Kern mit 28 Protonen und 38 Neutronen, einen Zustand mit erheblicher Deformation fand, der sich durch erhöhte Stabilität auszeichnet.

Angeregt wurde diese Identifizierung durch Berechnungen mit dem ausgeklügelten Monte-Carlo-Schalenmodell, das von Theoretikern der Universität Tokio entwickelt wurde und das diese Deformationsfalle vorhersagte.
Die Berechnungen unserer japanischen Kollegen lieferten noch ein weiteres unerwartetes Ergebnis, sagt Prof.

Bogdan Fornal (IFJ PAN).

Sie zeigten, dass eine tiefe, lokale Depression (Falle), die mit einer beträchtlichen Deformation verbunden ist, auch in der potentiellen Energielandschaft von Nickel-64 vorhanden sein sollte, dem Kern mit zwei Neutronen weniger als Nickel-66, von dem man bisher annahm, dass er nur ein Hauptminimum mit einer kugelförmigen Form hat.

Das Problem war, dass bei Nickel-64 die Vertiefung bei hoher Anregungsenergie vorhergesagt wurde – in der Analogie zum Gebirge – und es war äußerst schwierig, eine experimentelle Methode zu finden, um den Kern in diese Falle zu bringen.
Es fand eine Tour de Force mit vier komplementären Experimenten statt, die gemeinsam von einer Kollaboration unter der Leitung von Experimentatoren aus Rumänien (IFIN-HH in Bukarest), Frankreich (Institut Laue-Langevin, Grenoble), Italien (Universität Mailand), USA (University of North Carolina und TUNL) und Polen (IFJ PAN, Krakau) durchgeführt wurden. Die Messungen wurden in vier verschiedenen Labors in Europa und den USA durchgeführt: Institut Laue-Langevin (Grenoble, Frankreich), IFIN-HH Tandem Laboratory (Rumänien), Argonne National Laboratory (Chicago, USA) und das Triangle Universities Nuclear Laboratory (TUNL, North Carolina, USA).

Verschiedene Reaktionsmechanismen wurden eingesetzt, darunter Protonen- und Neutronentransfer, thermischer Neutroneneinfang, Coulomb-Anregung und Kernresonanz-Fluoreszenz, in Kombination mit modernsten Gammastrahlendetektionsverfahren.
Alle Daten zusammengenommen erlaubten t

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