Quantenphysik Neue Einblicke in die Kraft, die Atomkerne zusammenhält
Eine Art mathematische Pinzette hat diese Erkenntnisse ermöglicht.
Mit Computersimulationen haben Physiker neue Einblicke in die starke Kraft erhalten, die Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhält. Mit einem Trick berechneten sie die Kräfte zwischen zwei Kernen. Das Team der Ruhr-Universität Bochum und der North Carolina State University beschreibt die Ergebnisse in der Zeitschrift „Physical Review Letters“. Unter den Autoren sind Prof. Dr. Evgeny Epelbaum, Dr. Hermann Krebs und Dr. Alexander Rokash vom Bochumer Institut für Theoretische Physik II.
Die starke Kraft ist von fundamentaler Bedeutung, jedoch bislang nicht im Detail verstanden. „Ein rätselhaftes Phänomen entsteht, wenn man zwei Alpha-Teilchen betrachtet“, sagt Epelbaum. Als Alpha-Teilchen bezeichnet man zweifach ionisierte Helium-Atome, also Zusammenschlüsse von zwei Protonen und zwei Neutronen. „Eigentlich würde man erwarten, dass kleine Veränderungen in der starken Kraft zwischen Protonen und Neutronen die Wechselwirkung zweier Alpha-Teilchen nicht maßgeblich beeinflussen“, so Epelbaum. Die Rechnungen ergaben jedoch das Gegenteil: Die Alpha-Teilchen reagierten sehr empfindlich auf Veränderungen in der starken Kraft.
Teilchen in der Simulation festhalten
Um die Physik hinter diesem Phänomen zu verstehen, repräsentierten die Forscher das Zusammenspiel der Kernteilchen mit einem vereinfachten Computermodell. Sie wollten die Kräfte zwischen zwei zusammengesetzten Kernen in Abhängigkeit von den Kräften zwischen den einzelnen Protonen und Neutronen berechnen. „Das geht aber nur, wenn wir die zusammengesetzten Teilchen in der Simulation an einem bestimmten Ort festhalten“, beschreibt Evgeny Epelbaum die Herausforderung.
Dazu dachte sich das Team einen Trick aus: Die Physiker nutzten das mathematische Pendant einer Pinzette, um zwei der vier Teilchen festzuhalten. Die Pinzette realisierten sie in Form einer schwachen äußeren Kraft, die die Teilchen an einen Ort fesselte.
Die Ergebnisse der Simulation liefern neue Antworten auf die Frage, welche Eigenschaften der starken Kraft zwischen Protonen und Neutronen zur Anziehung und Abstoßung von zusammengesetzten Teilchen führen.
