von DIRK EIDEMÜLLER
Üblicherweise stellt man sich Atomkerne kugelrund vor. Aber einige Atomkerne sind ein wenig wie ein Diskus oder Rugbyball verformt. Allerdings sind die Kerne so winzig, dass es schwierig ist, genauere Aussagen über ihre Form und Struktur zu treffen. Ein internationales Team um Norbert Pietralla und Jörn Kleemann von der Technischen Universität Darmstadt hat hierzu nun einen speziellen Effekt genutzt.
„Die Dipol-Riesenresonanz ist sozusagen der Prototyp einer Kernschwingung“, sagt Pietralla. „Bei ihr schwingen die Protonen und die Neutronen gegeneinander.“ Diese Schwingungsart ist die wichtigste Reaktion eines Atomkerns auf ein hochenergetisches elektromagnetisches Wechselfeld – und somit auf Gammastrahlung. „Bereits in den 1930er-Jahren hat der Nobelpreisträger Niels Bohr eine erste Formulierung dieser Schwingung vorgeschlagen, 1947 wurde sie experimentell nachgewiesen“, weiß Pietralla. Die Atomkerne reagieren wie Antennen auf die Gammastrahlung, absorbieren sie und geraten dadurch in eine starke Schwingung. Die Länge der Antenne bestimmt die Schwingungsfrequenz.
Meistens wird die absorbierte Strahlungsenergie jedoch nicht wieder durch Gammastrahlung emittiert. „In rund 99 Prozent aller Fälle werden durch diese Schwingung Neutronen aus dem Kern gelöst“, erläutert Pietralla. Aus deren Nachweis lässt sich bestimmen, mit welcher Wahrscheinlichkeit diese „Kern-Antenne“ auf die Strahlung anspricht. Aber man gewinnt dabei nur ungenaue Informationen über die Form der Atomkerne. Deshalb konnten Kernphysiker mit diesem Effekt zwar feststellen, dass ein Kern deformiert ist, aber nur vage Angaben über die genaue Gestalt machen.
In rund einem Prozent der Fälle jedoch strahlt die Dipol-Riesenresonanz ein Gammaquant ab. Dank eines speziell verbesserten Versuchsaufbaus im Triangle Universities Nuclear Laboratory an der Duke University im US-amerikanischen Durham gelang es dem Team nun, die entscheidenden Messungen zu machen. Dazu bedurfte es nicht nur einer Gammaquelle, die sehr intensive, fast monochromatische und vollständig polarisierte Strahlen mit der geeigneten Frequenz im Energiebereich von Megaelektronenvolt zur Verfügung stellte. „Wesentlich für den Nachweis waren auch effiziente Detektoren und in Person von Jörn Kleemann ein ausgezeichneter Doktorand“, sagt Pietralla.
Mit der Gammaquelle bestrahlten die Forscher deformierte Atomkerne des Isotops Samarium-154. Die Dipol-Riesenresonanz schwingt nur für eine extrem kurze Zeit: nicht einmal eine Zeptosekunde, also eine milliardstel billionstel Sekunde. Sie wirkt auf die Gammaquanten daher fast so, als ob Billardkugeln von den Atomkernen abprallen und dabei über ihre Bewegungsrichtung und Intensität Informationen zur Form der Kerne verraten.
