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07.05.2018

 

Clusterbildung

Detaillierte Fusion: Die Visualisierung von Clusterbildung in Kernkollisionen


Visualisierung der Clusterbildung in der Kollision zweier Sauerstoff-Atomkerne. Bild: B. Schütrumpf/W. Nazarewicz

Lässt man Atomkerne miteinander kollidieren, können sie fusionieren und einen neuen Kern bilden. Manchmal ist diese Fusion nur vorrübergehend – der neu gebildete Kern befindet sich in einem angeregten Zustand und zerfällt nach kurzer Zeit in einen stabilen Zustand oder bricht ganz auseinander. Einen derartigen kurzlebigen Kern nennt man auch einen Pre-Compound-Kern. In einer Veröffentlichung des Fachmagazins Physical Review C beschäftigen sich die beiden Forscher Dr. Bastian Schütrumpf vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und Dr. Witold Nazarewicz von der Michigan State University, USA, mit dem inneren Aufbau solcher Pre-Compounds.

 

Atomkerne bestehen aus zwei Unterbausteinen, den Protonen und Neutronen. Schütrumpf und Nazarewicz haben ein Modell entwickelt, mit dem das Verhalten der Kernbausteine vorhergesagt und visualisiert werden kann. Die neue Technik zeigt, dass Gruppen von Protonen und Neutronen vorübergehend Cluster bilden, die kleineren, stabilen Kernen innerhalb des größeren, in der Kollision produzierten Kerns entsprechen. Diese Cluster sind veränderlich und können zwischen verschiedenen Zuständen wechseln.

 

Die Forscher analysierten Reaktionen verschiedener Kernkollisionen der Elemente Sauerstoff, Kalzium und Kohlenstoff, die – abhängig von der Kollisionsenergie – in entweder einer Fusion oder einer Spaltung enden können. Die Berechnungen zeigen Cluster, die Helium-4-Kernen, Kohlenstoff-12-Kernen, Magnesium-24-Kernen oder Argon-36-Kernen entsprechen. Beispielsweise bilden zwei Sauerstoff-16-Kerne in ihrer Kollision bei einer Energie von 20 Megaelektronenvolt einen Pre-Compound, in dem zwei Kohlenstoff-12-Cluster gegen zwei Helium-4-Kerne (Alpha-Teilchen) oszillieren.

 

„Solche flüchtigen Kernzustände kommen häufig in Sternen und anderen Phänomenen im All vor, weshalb sie für die Forscher besonders interessant sind und oft in Kollisionsexperimenten untersucht werden. Ihre Struktur zu verstehen, ist grundlegend für ihre Entschlüsselung“, erklärt Dr. Bastian Schütrumpf, der als Postdoc in der Forschungsabteilung „Theorie“ bei GSI arbeitet. „Aufgrund vorheriger theoretischer Berechnungen und von Experimente konnte bereits auf die Clusterbildung in Pre-Compounds geschlossen werden. Bisherige Modelle konnten ihre detaillierte Natur aber nicht darstellen.“ Um dieses Problem zu lösen, verwendeten Schütrumpf und Nazarewicz eine mathematische Methode, die ursprünglich dafür genutzt wurde, Elektronenanordnungen in Atomen und Molekülen zu beschreiben, und wendeten sie auf die Kernbausteine an.

 

In der Zukunft wollen die Forscher ihre theoretischen Berechnungen verbessern und noch weiter ausbauen. So könnte das Modell auch kompliziertere, asymmetrische Reaktionen mit unterschiedlichen Kernen angehen. Wenngleich die jetzige Anwendung auf Reaktionen bei niedrigen Energien fokussiert ist, stellt die Clusterbildung von Neutronen und Protonen ein allgegenwärtiges Phänomen dar, das auch hochenergetische Kollisionen betrifft, wie sie beispielsweise an FAIR vorkommen werden.

 

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