Wissenschaftler enthüllen die Struktur des Hoyle-Zustands von Kohlenstoff

"Alpha-Cluster" im Kohlenstoff-12-Kern bilden die Form eines angewinkelten Arms. (North Carolina State University)
"Alpha-Cluster" im Kohlenstoff-12-Kern bilden die Form eines angewinkelten Arms. (North Carolina State University)

Ein Forscher der North Carolina State University hat einen “Schnappschuss” davon gemacht, wie sich Teilchen miteinander verbinden, um Kohlenstoff-12 zu bilden – das Element, das alles Leben auf der Erde ermöglicht. Und das Bild sieht wie ein angewinkelter Arm aus.

Kohlenstoff-12 (12C) kann nur existieren, wenn sich drei Alphateilchen (Helium-4-Kerne) auf eine sehr spezielle Weise miteinander verbinden. Diese Kombination wird als der Hoyle-Zustand bezeichnet. Der Physiker Dean Lee von der North Carolina State University und seine deutschen Kollegen Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs und Ulf-G. Meißner hatten bereits zuvor die Existenz des Hoyle-Zustands bestätigt, indem sie ein numerisches Gitter verwendeten, das es den Forschern erlaubte zu simulieren, wie die Protonen und Neutronen interagieren. Als die Wissenschaftler ihre Simulationen auf dem Gitter durchführten, trat der Hoyle-Zustand zusammen mit anderen beobachteten Zuständen von Kohlenstoff-12 auf, was die Theorie in ihren Grundprinzipien als korrekt bewies.

Aber sie wollten auch herausfinden, wie die Nukleonen (die Protonen und Neutronen im Kern eines Atoms) innerhalb des Kohlenstoff-12-Kerns angeordnet waren. Das würde ihnen ermöglichen, die Struktur des Hoyle-Zustands zu “sehen”. Unter Verwendung desselben Gitters fanden die Forscher gemeinsam mit dem Kollegen Timo Lähde heraus, dass die sechs Protonen und sechs Neutronen des Kohlenstoff-12-Kerns drei “Alpha-Cluster” aus jeweils vier Nukleonen bildeten. Bei niedrigen Energiezuständen neigten die Alpha-Cluster dazu, in einer kompakten, dreieckigen Anordnung zusammenzuklumpen. Aber im Hoyle-Zustand, einem angeregten Energiezustand, verbanden sich die drei Alpha-Cluster in der Anordnung eines “angewinkelten Arms”. Die Ergebnisse der Wissenschaftler werden diesen Monat in den Physical Review Letters erscheinen.

“Es ist interessant, dass eine gerade Kette nicht die bevorzugte Konfiguration für den Hoyle-Zustand zu sein scheint”, sagte Lee. “Eine Krümmung in der Kette scheint notwendig zu sein. Diese Arbeit führt uns zu der Frage, welche anderen Kerne solche Alpha-Cluster-Formen haben. Es wären ziemlich exotische Strukturen in der Kernphysik und sie würden einige wirklich interessante Fragen aufwerfen, was Form und Stabilität betrifft – zum Beispiel ob wir längere Ketten aus Alpha-Clustern haben können. Wir untersuchen diese Möglichkeiten derzeit.”

Die Arbeit wurde vom U.S. Department of Energie, der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der Helmholtz-Gemeinschaft deutscher Forschungszentren, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung in Deutschland, dem Hadron Physics3 Projekt der Europäischen Union, dem European Research Council und der National Natural Science Foundation of China finanziert. Computer-Ressourcen wurden vom Supercomputer-Zentrum Jülich zur Verfügung gestellt. Das Department of Physics der North Carolina State University ist Teil des College of Physical and Mathematical Sciences.

Quelle: http://news.ncsu.edu/releases/tpleehoyle/

(THK)

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