Neue radioaktive Zerfallsart entdeckt

Bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt wurde bei der Untersuchung des Atomkerns Eisen-45 eine neue radioaktive Zerfallsart entdeckt: der Zwei-Protonen-Zerfall, bei dem gleichzeitig zwei Protonen aus dem Kern emittiert werden. Fast zeitgleich wurde in einem unabhängigen Experiment am französischen Institut GANIL in Caen dieselbe Beobachtung gemacht. Der Nachweis und die weitergehende Untersuchung dieses Phänomens werden unser Verständnis von der Struktur der Atomkerne und der zugrunde liegenden Kräfte, aber auch die Erklärung astrophysikalischer Prozesse erheblich verbessern.

Die uns auf der Erde umgebende Materie besteht hauptsächlich aus stabilen Atomkernen. Bei diesen natürlich vorkommenden Kernen herrscht immer ein relativ ausgeglichenes Verhältnis der beiden Bausteine des Kerns, der Protonen und Neutronen. Bei Abweichungen von diesem ausgeglichenen Verhältnis werden die Kerne radioaktiv und zerfallen, üblicherweise über die bekannten Zerfallsarten Alpha-, Beta-, Gamma-Zerfall und Kernspaltung. Bei sehr protonen- bzw. neutronenreichen Kernen wurde als zusätzliche Zerfallsarten auch die Emission einzelner Kernbausteine – Protonen oder Neutronen – beobachtet. Seit langem gibt es Vorhersagen, dass für Kerne mit extremem Protonenüberschuss wie z.B. Eisen-45 außerdem der Zwei-Protonen-Zerfall auftreten sollte. Bislang konnte dies jedoch nicht experimentell nachgewiesen werden. Von der Untersuchung solcher extrem protonen- und auch neutronenreichen Kerne und ihrer Zerfälle versprechen sich die Wissenschaftler über die reine Kernphysik hinaus grundlegende Erkenntnisse zur Elementsynthese in Sternexplosionen wie Novae und Supernovae.

Die Beschleunigeranlage der GSI erlaubt es, exotische Atomkerne mit großem Protonen- oder Neutronenüberschuss zu erzeugen und ihren Zerfall zu untersuchen. Beim jetzigen Experiment wurden Nickel-58-Ionen auf ca. 50 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und auf Hindernisse (Beryllium-Folien) geschossen. Dadurch fragmentieren die Nickel-Kerne in viele verschiedene Bruchstücke. Im Fragment-Separator der GSI wurden die Bruchstücke anschließend separiert und die gesuchten Eisen-45 Bruchstücke (bestehend aus 26 Protonen und 19 Neutronen) identifiziert. Die Produktion der Eisen-45-Kerne ist extrem selten. In einer knappen Woche Messzeit konnten nur sechs Atomkerne erzeugt werden. Bei vier von ihnen gelang es anschließend in einer speziellen Messapparatur den Zwei-Protonen-Zerfall, d.h. die Umwandlung in Chrom-43 durch gleichzeitige Emission von zwei Protonen, eindeutig nachzuweisen.