Einer internationalen Kollaboration unter Beteiligung der TU Darmstadt und des ExtreMe Matter Institute EMMI bei GSI ist es gelungen, ein 50 Jahre altes Rätsel zu lösen. Die Forscher erklären, warum Beta-Zerfälle von Atomkernen langsamer ablaufen, als man das aufgrund des Zerfalls eines freien Neutrons erwarten würde. Die Erkenntnisse, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Nature Physics, schließen eine Lücke im Verständnis des Beta-Zerfalls, der ein wichtiger Prozess in kernphysikalischen Anwendungen und bei der Synthese schwerer Elemente in Sternen ist.

Der Beta-Zerfall ist der häufigste Zerfallskanal von Atomkernen: Ein Neutron im Kern wird in ein Proton umgewandelt (oder umgekehrt), wodurch ein anderes Element mit Protonenzahl plus (oder minus) eins entsteht. Auf diese Weise trägt der Beta-Zerfall zur Bildung neuer Elemente im Universum bei. Als Zusammenspiel der starken Kernkraft, die Neutronen und Protonen im Atomkern zusammenhält, und der schwachen Wechselwirkung liefern Beta-Zerfälle außerdem wesentliche Hinweise auf Physik, die über das Standardmodell hinausgeht, und sind seit dem frühen 20. Jahrhundert das Thema konzentrierter Untersuchungen.

Ein Rätsel hat bisher jedoch den Untersuchungen der Physiker widerstanden: Die Beta-Zerfälle von im Atomkern gebundenen Neutronen laufen deutlich langsamer ab als dies aufgrund der Zerfallszeiten von freien Neutronen zu erwarten wäre. In der Vergangenheit wurde diese systematische Abweichung durch die Implementierung einer Konstante, genannt „Quenching“, berücksichtigt. Dabei handelt es sich um eine Hilfskonstruktion, um die beobachteten Beta-Zerfallsraten der Neutronen innerhalb und außerhalb des Kerns überein zu bringen. So konnten die theoretischen Modelle mit den experimentellen Messungen sehr gut in Einklang gebracht werden.

„Lange hat uns ein grundlegendes Verständnis des Beta-Zerfalls von Atomkernen gefehlt“, erklärt EMMI-Professor Achim Schwenk von der TU Darmstadt, der Teil der Kollaboration ist. „Wir konnten nun in komplexen mikroskopischen Rechnungen erstmals zeigen, dass starke Korrelationen im Atomkern sowie die starke Wechselwirkung mit einem anderen Neutron oder Proton den Beta-Zerfall im Atomkern verlangsamen. Genau diese Wechselwirkungseffekte werden in effektiven Feldtheorien der starken und schwachen Wechselwirkung vorhergesagt.“

Um dies zu zeigen, berechneten die Theoretiker systematisch die Beta-Zerfälle einer Vielzahl leichter und mittelschwerer Kerne, vom einem Kern mit drei Nukleonen bis zu Zinn-100 mit 50 Protonen und 50 Neutronen. Der Beta-Zerfall von Zinn-100 wurde im Jahr 2012 erstmals bei GSI gemessen. Die Ergebnisse der Kollaboration stimmen sehr gut mit experimentellen Daten überein und zeigen, dass der Quenching-Faktor nach Berücksichtigung der starken und schwachen Wechselwirkungseffekte nicht mehr benötigt wird.

Die Fortschritte, um von der Berechnung der schwachen Wechselwirkung mit einzelnen Neutronen und Protonen zu großen Atomkernen zu gelangen, wurden sowohl von theoretischen Entwicklungen zur effektiven Feldtheorie, also auch durch enorme Fortschritte in der Vielteilchentheorie und durch leistungsstarke Berechnungskapazitäten von Supercomputern ermöglicht.

Neben einem besseren Verständnis von Beta-Zerfällen für die Synthese schwerer Elemente in Supernovae und Neutronensternverschmelzungen erhoffen sich die Forscher auch neue Einsichten zu doppelten Beta-Zerfällen, insbesondere zum neutrinolosen doppelten Beta-Zerfall, bei dem ein analoges Quenching-Rätsel die Wissenschaft beschäftigt. (cp)

Weitere Informationen: