Einem Forschungsteam um Prof. Dr. Randolf Pohl vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist ein bedeutender Durchbruch bei der Bestimmung fundamentaler Eigenschaften von Atomkernen gelungen. Das Team hat am schweizerischen Paul Scherrer Institut erstmals laserspektroskopische Experimente an myonischem Helium-3 durchgeführt – einem speziellen Heliumatom, dessen zwei Elektronen durch ein einzelnes, viel schwereres Myon ersetzt wurden. Die Ergebnisse sind gestern in der renommierten Fachzeitschrift Science veröffentlicht worden. „Unsere Experimente mit myonischem Helium-3 liefern den bislang besten Wert für den Ladungsradius dieses Kerns“, sagt Randolf Pohl, der auch Mitglied des Exzellenzclusters PRISMA⁺ der JGU ist. „Das liegt vor allem daran, dass das schwere Myon sich viel näher am Atomkern aufhält und damit viel sensibler auf dessen Größe und Struktur reagiert als Elektronen in normalen Atomen.“ Heliumkerne besitzen immer zwei Protonen - das macht sie zum Helium. Verschiedene Isotope unterscheiden sich noch durch die Anzahl der Neutronen im Kern: Helium-3 mit seinen insgesamt drei Kernbausteinen besitzt also neben den zwei Protonen noch ein einzelnes Neutron, das schwerere Helium-4 hingegen zwei Neutronen. Helium-4 hatte die Gruppe um Prof. Dr. Pohl bereits vor einigen Jahren erfolgreich mit Laserspektroskopie und Myonen vermessen.

Messung bestätigt theoretische Modelle

Traditionell werden Radien von Atomkernen mithilfe von Teilchenbeschleunigern bestimmt, wie an der JGU mit dem MAMI und in Zukunft dem MESA. Doch im Vergleich zu solchen Messungen ist der nun veröffentlichte Wert von myonischem Helium fünfzehn Mal genauer, nämlich 1,97007 ± 0.00097 Femtometer. Für die allerleichtesten Atomkerne, die Kerne von Wasserstoff und Deuterium, ist die Laserspektroskopie auch mit Elektronen bereits erfolgreich angewendet worden. Für Helium gibt es ebenso schon länger präzise Messungen, jedoch ist das Heliumatom mit seinen zwei Elektronen noch nicht genau genug berechnet worden, um aus den Messungen einen Radius des Heliumkerns zu bestimmen. Allerdings lässt sich auch für normales Helium bereits die Differenz der Ladungsradien verschiedener Isotope (Atomkerne mit derselben Anzahl von Protonen, jedoch unterschiedlich vielen Neutronen) bestimmen. Hier zeigt sich nun eine gute Übereinstimmung der Messungen mit Myonen und den neuesten Messungen an normalem Helium durch ein Forschungsteam aus Amsterdam, die ebenfalls gestern in Science veröffentlicht worden sind. „In Kombination mit unseren früheren Ergebnissen aus myonischem Helium-4, die bereits 2021 in Nature veröffentlicht wurden, konnten wir auch den Unterschied der Ladungsradien zwischen Helium-3 und Helium-4 exakt bestimmen – ein bedeutender Fortschritt“, sagt Pohl.

Enges Zusammenspiel von Theorie und Experiment im Exzellenzcluster PRISMA⁺

Die sehr gute Übereinstimmung der Messungen der Teams aus Mainz und Amsterdam bestätigt das bereits vorhandene Wissen über die Kernphysik der leichtesten Atomkerne. Dieses entstammt unter anderem verschiedenen wichtigen Berechnungen der Kernstruktur, die ebenfalls im Exzellenzcluster PRISMA⁺ durchgeführt worden waren. So hatte das Team von Prof. Dr. Sonia Bacca die Einflüsse des Myons auf die Struktur des Heliumkerns berechnet und Prof. Dr. Marc Vanderhaeghen und Dr. Franziska Hagelstein die Rolle der Protonen und des Neutrons. Diese Berechnungen bildeten die Grundlage dafür, dass aus den aktuellen, präzisen Messdaten verlässliche Informationen über den Atomkern gewonnen werden konnten. „Präzises Wissen über die Radien von Atomkernen ist unter anderem für die Bestimmung fundamentaler Naturkonstanten wie die Rydberg-Konstante unerlässlich. Auch die Suche nach neuer Physik, also Teilchen und Kräften, die unser Standardmodell noch nicht beinhaltet, benötigt präzise Kenntnisse der Kernladungsradien. Dass diese bisher fehlten, verursachte hier große Unsicherheit“, sagt Pohl.

Präzise Bestimmung weiterer Atomkerne geplant

Für die Zukunft planen die experimentellen und theoretischen Physikerinnen und Physiker aus Mainz die, im Vergleich zu Experimenten an Teilchenbeschleunigern, zehnfach genauere Bestimmung der Atomkerne von Lithium bis Neon. Hierzu setzen sie anstatt auf Laser auf neuartige Röntgendetektoren. Diese Arbeit wird, wie die bisherigen Experimente des Teams um Pohl, im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 1660 an der JGU von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.