MIT-Physiker enthüllen „Tischplatten“-Methode zur Erforschung des Atomkerns mithilfe molekularer Elektronen

Physiker des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine bahnbrechende Technik zur Untersuchung der inneren Struktur von Atomkernen vorgestellt, die keine riesigen Teilchenbeschleuniger erfordert. Stattdessen nutzten die Wissenschaftler Elektronen, die in das Radiummonofluorid-Molekül (RaF) eingebettet sind, als interne Sonde. Dieser Ansatz stellt im Wesentlichen eine zugängliche „Tischplatten“-Methode für die Grundlagenphysik dar. Die revolutionären Ergebnisse dieser Forschung wurden am 23. Oktober 2025 in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Der Kern dieser innovativen Methode liegt in der Erzeugung eines Moleküls, in dem ein Radiumatom fest an ein Fluoratom gebunden ist. In dieser molekularen Umgebung sind die Elektronen, welche die Radiumkerne umkreisen, einem gewaltigen internen elektrischen Feld ausgesetzt. Dieses Feld übertrifft die Stärke von Feldern, die üblicherweise unter normalen Laborbedingungen erzeugt werden können, bei Weitem. Durch diese signifikante Verstärkung steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die Elektronen kurzzeitig in den Radiumkern eindringen und dort mit seinen Protonen und Neutronen interagieren.

Beim Verlassen des Kerns tragen die Elektronen eine minimale Energieverschiebung mit sich – eine Art „nukleare Botschaft“ –, die von den Forschern präzise gemessen wurde, um Einblicke in den inneren Aufbau des Kerns zu erhalten. Diese Technik ermöglicht es erstmals, die nukleare „magnetische Verteilung“ zu bestimmen, welche die räumliche Anordnung der Protonen und Neutronen zueinander detailliert beschreibt.

Shane Wilkins, der Hauptautor der Studie, bezeichnete die Platzierung des radioaktiven Radiums in einem Molekül als einen eleganten wissenschaftlichen Schachzug, der das Molekül effektiv in einen mikroskopischen Kollider umwandelt. Die Messungen für diese Untersuchung wurden in Zusammenarbeit mit dem CRIS-Experiment (Collinear Resonance Ionization Spectroscopy Experiment) am CERN in der Schweiz durchgeführt. Zum Forscherteam gehörten zudem Ronald Garcia Ruiz und Silviu-Marian Udrescu.

Die Ergebnisse dieser Arbeit haben weitreichende Implikationen für die Kosmologie. Im Gegensatz zu den meisten Atomkernen, die nahezu kugelförmig sind, weist der Radiumkern eine ungewöhnliche, birnenförmige Asymmetrie auf. Es wird angenommen, dass diese Verformung subtile Verletzungen fundamentaler Symmetrien verstärkt. Solche Symmetrieverletzungen könnten erklären, warum Materie im Universum über die Antimaterie dominiert. Die erfolgreiche Kartierung der magnetischen Verteilung liefert somit entscheidende empirische Daten für theoretische Modelle, die dieses kosmische Ungleichgewicht zu entschlüsseln versuchen.

Im Gegensatz zu traditionellen Ansätzen, die kilometerlange Beschleunigeranlagen erfordern, ist die molekulare Methode deutlich kompakter und kostengünstiger. Dieser neue Weg eröffnet spannende Perspektiven für die Erforschung anderer instabiler radioaktiver Moleküle. Dazu zählen auch jene, die unter extremen Bedingungen in kosmischen Phänomenen, etwa bei Supernovae, entstehen könnten.