Lange gesuchtes Teilchen aus vier Neutronen entdeckt

Forschungsteam beobachtet zum ersten Mal einen neutralen Kern – das Tetra-Neutron

22.06.2022

Einem internationalen Forschungsteam mit führender Beteiligung der TU Darmstadt ist es erstmals gelungen, ein isoliertes Vier-Neutronen-System zu erzeugen. Die Forschenden überwanden die experimentelle Herausforderung durch Einsatz einer neuen Methode.

Studierende der TU Darmstadt und des Tokyo Institute of Technology genießen die Datenaufnahme und online Kontrolle des Experiments an der SAMURAI Anlage (v.li.n.re.: Atsumi Saito, Akihiro Hirayama, Julian Kahlbow, Vadim Wagner).

Das Experiment wurde an der Beschleunigeranlage für radioaktive Strahlen (RIBF) am RIKEN-Forschungszentrum in Japan durchgeführt. Beteiligt an der großen internationalen Kollaboration waren neben der TU Darmstadt auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der TU München, des RIKEN Nishina Centers sowie des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt. Das Experiment lieferte ein zweifelfreies Signal für die erste Beobachtung des Tetra-Neutrons. Das Resultat wurde jetzt in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Die Bausteine von Atomkernen sind die Nukleonen, die in zwei Arten vorkommen, den neutralen Neutronen und den positiv geladenen Protonen. Nach bisherigem Wissensstand existieren keine stabilen – oder gebundenen – Kerne, die ausschließlich aus Neutronen aufgebaut sind. Die einzigen bekannten gebundenen Systeme, die fast ausschließlich aus Neutronen bestehen, sind die Neutronen-Sterne in unserem Universum mit einem typischen Durchmesser von etwa zehn Kilometern. Diese Sterne sind stabil durch die Gravitation, die zu einer sehr hohen Neutronendichte im Inneren dieser Sterne führt. Atomkerne wiederum sind durch die starke Wechselwirkung gebunden, mit der Präferenz, die gleiche Zahl von Neutronen und Protonen zu binden – das ist bekannt von den stabilen Kernen, wie sie auf unserer Erde zu finden sind.

Neutronen-Sternen besser verstehen

Dr. Meytal Duer

Die Erforschung von reinen Neutronen-Systemen ist aber von großer Bedeutung, da nur so experimentelle Erkenntnisse über die Wechselwirkung mehrerer Neutronen untereinander und damit über die nukleare Wechselwirkung an sich gewonnen werden können. Die Erforschung der bisher hypothetischen Systeme könnte zudem helfen, die Eigenschaften von Neutronen-Sternen besser zu verstehen. Herauszufinden, ob solche Neutronen-Systeme als ungebundene Kernzustände oder gar als gebundene Kerne vorliegen, ist daher ein seit langem bestehendes Bestreben der Kernphysik. Das von der TU Darmstadt geleitete Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat dazu nun einen neuen Anlauf genommen und eine neue experimentelle Methode eingesetzt, die sich von allen bisherigen Versuchen unterscheidet. Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Sonderforschungsbereich 1245 unterstützt.

“Dieser experimentelle Durchbruch liefert einen Referenzwert für die Theorie zum Verständnis der Wechselwirkungen von reinen Neutronen-Verbünden und damit auch der Eigenschaften neutronenreicher Kerne“, sagt Dr. Meytal Duer vom Institut für Kernphysik (IKP) an der TU Darmstadt. “Die nukleare Wechselwirkung zwischen mehr als zwei Neutronen konnte bisher nicht experimentell geprüft werden, während theoretische Vorhersagen zu sehr verschiedenen Ergebnissen führen. Wir planen nun ein Experiment der nächsten Generation an der R3B-Anlage bei FAIR, mit dem die direkte Messung der Korrelationen zwischen den vier Neutronen mit dem R3B-NeuLAND-Detektor möglich sein wird. Dies wird neue Erkenntnisse über die Natur dieses Vier-Neutronen Systems liefern.”

Silizium Detektoren zur präzisen Vermessung der Trajektorien der ausgehenden Alpha Teilchen und Protonen nach der 8He(p,p alpha)4n knockout Reaktion im Flüssig-Wasserstoff (LH2) Target. Der Detektor ist nur wenige mm hinter dem LH2 Target (gekühlt auf -250°C) platziert und nur durch eine 2 m dünne Folie im Vakuum separiert.

Die experimentelle Untersuchung von reinen Neutronen-Systemen stellt eine große Herausforderung dar. Denn es gibt keine Möglichkeit, ein Neutronen-Target herzustellen, also die Materie, die dem Teilchenstrahl ausgesetzt wird. Um nun ein Multi-Neutronen-System so zu erzeugen, dass die Neutronen untereinander über die kurzreichweitige Kernkraft (wenige Femtometer, 10-15 Meter) in Wechselwirkung treten können, müssen Reaktionen eingesetzt werden. Die große Gefahr, dass die Wechselwirkung der Neutronen mit anderen an der Reaktion beteiligten Teilchen das eigentliche Signal verändert oder unsichtbar macht, wurde hier durch den Einsatz eines hochenergetischen 8He-Strahls gelöst. Der 8He-Kern besteht aus einem kompakten Alpha-Teilchen, das von den vier Neutronen mit geringerer Dichte umgeben wird. Das Alpha-Teilchen wird nun in einer schnellen Reaktion mit großem Impulsübertrag durch Stoß mit einem Proton des Flüssigwasserstoff-Targets aus dem 8He-Kern herausgeschossen: Die verbleibenden vier Neutronen sind plötzlich frei und alleine und können untereinander wechselwirken.

“Schlüssel zur erfolgreichen Entdeckung des Tetra-Neutrons waren die gewählte Reaktion und die gewählte Kinematik mit hohem Impulsübertrag, die die Neutronen von den geladenen Teilchen im Impulsraum unverzüglich separiert“, sagt Professor Dr. Thomas Aumann vom IKP der TU Darmstadt. „Dies hat eine fast untergrundfreie Messung ermöglicht. Wir planen nun dieselbe Reaktion, aber mit einem 6He-Strahl, um die Neutron-Neutron Wechselwirkung bei kleinen Energien präzise zu messen. Ein dafür geeigneter Neutronen-Detektor wird im Moment an unserer Universität gebaut.”

Die Veröffentlichung

M. Duer, T. Aumann et al.: „Observation of a correlated free four-neutron system“, in „Nature“ (2022), 22. Juni 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-04827-6

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Aumann/mih