Vor einigen Jahren schuf eine Gruppe von Physikern ein ungewöhnliches, nie zuvor gesehenes subatomares Teilchen. Mit einem Teilchenbeschleuniger des japanischen Forschungsinstituts Riken schlugen sie stundenlang Kalziumkerne gegen eine Metallscheibe. Dann durchsuchten sie die Folgen der Kollisionen und fanden ihre begehrten Partikel. Sie nannten ihre Kreation: Natrium.
Das stimmt, Natrium. Lass dich nicht vom vertrauten Namen täuschen. Sie werden dieses Objekt nie in gewöhnlichem Tafelsalz finden. Fast alles Natrium auf der Erde ist Natrium-23, wobei sich die Zahl auf die 11 Protonen und 12 Neutronen bezieht, aus denen sich sein Kern zusammensetzt. Diese 23 Teilchen umfassen jedoch nicht alles, was Natrium sein kann oder könnte. Technisch gesehen ist jeder Kern mit 11 Protonen Natrium. Das Periodensystem ordnet die Elemente schließlich nach der Anzahl der Protonen in ihren Kernen, und Natrium ist Element Nummer 11. Das sagt nichts über die Anzahl der Neutronen aus, die das Teilchen in sich trägt.
Was die Physiker in Japan geschaffen hatten, war eine Art Frankensodium, ein 11-Protonen-Teilchen mit satten 28 Neutronen, die in seinen Kern gestopft waren. Dieses Natrium-39 war das massereichste bekannte Isotop von Natrium.
Es dauerte acht Stunden und Hunderte von Billionen von Kollisionen - das sind 10 17 -, um ein einziges Natrium-39 zu produzieren. Und es fiel fast sofort auseinander. „Die Produktionsrate dieser Isotope ist sehr gering“, räumt der Riken-Physiker Toshiyuki Kubo ein.
Das Exemplar erfüllte jedoch seinen Zweck. Es stellte einen neuen Rekord für das auf, was Natrium sein könnte, eine langjährige Suche einer bestimmten Untergruppe von Wissenschaftlern. Über mehrere Jahrzehnte haben Physiker das Periodensystem durchlaufen - Wasserstoff, Helium, Lithium usw. -, um das schwerste Isotop jedes Elements zu finden, das nach den Gesetzen der Physik zulässig ist. Die Riken-Physiker und ihr Team haben diesen Montag in Physical Review Letters veröffentlicht und bestätigt, dass die Grenze für einen Fluorkern 22 Neutronen beträgt und ein Neonkern bis zu 24 enthalten kann mindestens 28 Neutronen. Die Physiker bezeichnen das Limit als „Neutronentropflinie“, denn wenn Sie versuchen, das Limit eines Kerns durch Hinzufügen eines weiteren Neutrons zu überschreiten, rutscht dieses Neutron einfach ohne Widerstand ab.
Es hat ungefähr 20 Jahre gedauert, um die nuklearen Grenzen von Fluor und Neon zu bestimmen, da die Experimente so schwierig sind, sagt die Physikerin Artemis Spyrou von der Michigan State University, die nicht an der Arbeit beteiligt war. Zu beweisen, dass ein Partikel das schwerste seiner Art ist, reicht nicht aus, es nur zu erzeugen. Man muss zeigen, dass nichts Schwereres existiert. "Das ist der schwierige Teil", sagt Spyrou. „Wenn du es nicht siehst, liegt es daran, dass es es nicht gibt? Oder liegt es daran, dass Ihr Experiment nicht gut genug war?"
Kubo und sein Team haben sich jahrelang auf die Aufgabe vorbereitet. Sie mussten ihre Beschleunigerleistung verbessern. Kubo baute auch einen ausgeklügelten Partikelfilter, eine Maschine, die beinahe die Länge eines Fußballfeldes hat und mithilfe von Magneten Atomkerne voneinander trennt. Um zu zeigen, dass Fluor-31, die Version mit 22 Neutronen, die schwerste Art von Fluor ist, führte das Team Partikelkollisionen durch, von denen theoretische Modelle vorhersagten, dass sie Fluor-32 und Fluor-33 produzieren sollten. Wenn sie diese schwereren Fluoratome nicht sahen, konnten sie mit größter Sicherheit bestätigen, dass Fluor-31 überwiegen würde. (Neon-34 hat nach einem ähnlichen Protokoll den Championstatus erlangt.) Das Team machte diese offiziellen Aussagen nicht leichtfertig: Sie analysierten ihre Ergebnisse fast fünf Jahre lang, bevor sie diese Woche veröffentlicht wurden.
"Die Menge an Fluor-31, die sie hergestellt haben, hat meine Augen zum Platzen gebracht", sagt die Physikerin Kate Jones von der University of Tennessee Kerne. „Das ist viel Fluor-31. Ich war wie whoa. Wenn man sich dieses Grundstück ansieht, hätte man es gesehen, wenn Fluor-32 da gewesen wäre. Und sie sehen es nicht."
Durch diese Experimente hoffen die Physiker, die Grenze zwischen dem Möglichen und dem Unmöglichen in der Natur besser zu verstehen. Als zusätzlichen Vorteil könnten die Messungen Astrophysikern helfen, extreme Umgebungen im Weltraum wie Neutronensterne zu untersuchen, sagt Spyrou. Ein Neutronenstern ist der kollabierte Kern eines toten Sterns und so dicht, dass ein Teelöffel davon etwa eine Milliarde Tonnen wiegt. Die extremen Bedingungen des Neutronensterns können die bizarren, kurzlebigen Kerne bilden, die Kubo in seinem Labor herstellt.
Diese transienten Teilchen spielen eine Rolle bei der mysteriösen Explosion von Röntgenstrahlen, die auf der Oberfläche einiger Neutronensterne beobachtet wurden, sagt Jones. Diese sogenannten Röntgen-Superbursts treten auf, wenn die Schwerkraft eines Neutronensterns Materie von einem regulären Stern aufnimmt, den er umkreist. Mit diesen neuen Labormessungen können Astrophysiker solche Röntgenexplosionen genauer modellieren.
