Wissenschaftler am Nishina Center for Accelerator-Based Science des RIKEN haben durch theoretische Forschung fundamentale Eigenschaften schwerer Atomkerne aufgedeckt, die das etablierte Paradigma der Kernphysik infrage stellen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass zahlreiche schwere Kerne nicht die lange angenommene, längliche, rugbyballartige Gestalt besitzen, sondern vielmehr eine triaxiale, mandelförmige Struktur aufweisen. Bei dieser Struktur weisen alle drei Hauptachsen unterschiedliche Längen auf, und kein Querschnitt ist kreisförmig.
Bildunterschriften: Darstellungen von Atomen zeigen den Kern oft als runde Kugel, die aus Neutronen und Protonen besteht
Diese Erkenntnis stellt das traditionelle Modell der Kernstruktur auf die Probe, welches maßgeblich von Aage Bohr und Ben R. Mottelson in den 1950er Jahren entwickelt wurde. Bohr und Mottelson, Nobelpreisträger von 1975, beschrieben in ihrem Standardwerk „Nuclear Structure“ kollektive Bewegungen und Teilchenbewegung in Atomkernen, basierend auf der Annahme einer axial symmetrischen Deformation. Takaharu Otsuka, Gastwissenschaftler bei RIKEN und emeritierter Professor der Universität Tokio, initiierte die kritische Auseinandersetzung mit dieser Annahme und postulierte, dass eine mandelförmige Konfiguration mit ovalen Querschnitten für Kerne natürlicher sein könnte.
Die Forschergruppe, zu der auch Yusuke Tsunoda von der Universität Tokio und Noritaka Shimizu von der Universität Tsukuba gehören, nutzte den Hochleistungsrechner Fugaku für ihre Berechnungen. Der Fugaku, Japans nationaler Flaggschiff-Supercomputer, ermöglichte die Simulation komplexer quantenmechanischer Prozesse. Die theoretischen Studien belegten, dass praktisch alle stark ellipsoidal deformierten schweren Kerne diese triaxialen Formen besitzen, was eine signifikante Neuausrichtung des Verständnisses der Kernstruktur markiert.
Die Konsequenzen dieser neuen Darstellung für die Kernphysik sind weitreichend. Die Existenz triaxialer Formen impliziert, dass Kerne um zwei Achsen rotieren können, anstatt nur um eine einzige, was tiefgreifende Auswirkungen auf das Verständnis der Kernrotation hat. Darüber hinaus beeinflusst diese Entdeckung die laufende Suche nach neuen, stabilen super-schweren Elementen, da die Kenntnis der Kernform für deren Vorhersage entscheidend ist.
Die Forschungsergebnisse, veröffentlicht in der Fachzeitschrift „Physical Review C“, stehen im Einklang mit den Vorhersagen des proxy-SU(3)-Symmetrierahmens, einem Modell, das auf dem Pauli-Prinzip und der kurzreichweitigen Natur der Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung basiert und triaxiale Deformationen vorhersagt. Die theoretische Demonstration der triaxialen Asymmetrie enthüllte zwei neue Mechanismen, die diese Deformation steuern, und zeigte, dass die Quantentheorie die Symmetriebrüche, die durch die elliptische Verformung entstehen, wiederherstellt. Die Berechnungen am Fugaku lieferten beispielsweise den Nachweis, dass die Intensität der elektromagnetischen Anregung direkt mit dem Grad der triaxialen asymmetrischen Deformation korreliert, wobei die Simulationsergebnisse hervorragend mit früheren experimentellen Messwerten übereinstimmten.
Die proxy-SU(3)-Symmetrie prognostiziert nicht-verschwindende Werte der kollektiven Variable Gamma fast überall auf der Kernkarte, mit erheblicher Triaxialität in bestimmten Bereichen der Nukleonenzahlen, wie etwa 22–26 oder 116–124. Diese Ergebnisse werden zukünftige Untersuchungen der Eigenschaften exotischer Kerne und der fundamentalen Kräfte, die atomare Strukturen regieren, maßgeblich beeinflussen und könnten zu Revisionen in Lehrbuchbeschreibungen führen, die seit rund 70 Jahren akzeptiert sind. Die Forschungsgruppe hat mit dieser Arbeit die Grundlage für ein neues theoretisches Gerüst zur Beschreibung von Kernform und -rotation gelegt.