Ein Viererpack aus Neutronen

Das hat sich als ziemlich schwierig erwiesen. Denn schon einfache Neutronen lassen sich nur schwer kontrollieren und detektieren, weil sie elektrisch neutral sind. Zudem sind sie als freie Teilchen außerhalb eines Atomkerns instabil und zerfallen nach rund 15 Minuten zu einem Proton, einem Elektron und einem Elektron-Antineutrino.

Bereits vor einigen Jahren war es gelungen, Dineutronen zu erzeugen: Zweierpakete aus Neutronen. Mit diesen kurzlebigen Teilchen lassen sich aber nur Wechselwirkungen zwischen zwei Neutronen vermessen, keine Mehrteilchen-Interaktionen.

Trickreiches Experiment

Zur Erzeugung von Tetraneutronen mussten die Physiker ganz neue Wege finden. Es gibt kein Zielmaterial aus Neutronen, an das man weitere Neutronen andocken könnte, wenn sie beispielsweise aus einem Forschungsreaktor herausfliegen. Stattdessen arbeiteten die Wissenschaftler mit einer sogenannten Knockout-Methode: Dabei schossen sie bei Experimenten an einem Teilchenbeschleuniger die Protonen und überzähligen Neutronen aus einem neutronenreichen Atomkern heraus.

„Für unsere Versuche haben wir das Isotop Helium-8 genommen, das ideal für die Erzeugung von Tetraneutronen ist“, sagt Gernhäuser. Helium-8 besitzt wie normales Helium zwei Protonen; hinzu kommen jedoch nicht zwei, sondern sechs Neutronen. „Zwei dieser Neutronen sind an die beiden Protonen im Zentrum stark gebunden, die anderen vier Neutronen aber nur vergleichsweise schwach. Sie umgeben ihn wie eine Haut.“

Helium-8 ist zwar sehr kurzlebig, aber für die rasend schnellen Experimente in einem Partikelbeschleuniger macht das keine Probleme. Den Strahl aus Helium-8 erzeugten die Forscher über eine komplexe Kette aus speziell präparierten Teilchenstrahlen. Hierzu nutzten sie den Beschleuniger am RIKEN Nishina Center in Japan, der gegenwärtig die führende Anlage weltweit für derartige Versuche ist. Das gesamte Experiment wurde von Thomas Aumann initiiert, der Professor am Institut für Kernphysik an der Technischen Universität Darmstadt ist. Roman Gernhäuser leitete die Siliziumdetektor-Arbeitsgruppe.

Als erstes schossen die Wissenschaftler einen Strahl aus hochenergetischen Sauerstoff-Atomkernen auf eine dünne Folie aus Beryllium. Dabei zersplittern die Atomkerne zu einer Vielzahl unterschiedlicher Fragmente, darunter auch Helium-8-Kerne. Mithilfe eines ausgeklügelten, 80 Meter langen Separators wurden alle anderen Fragmente herausgefiltert, sodass ein hochreiner Helium-8-Strahl übrigblieb. „Diesen haben wir dann auf ein Zielmaterial aus reinem Wasserstoff gelenkt“, sagt Gernhäuser.

Der Helium-8-Strahl hatte noch eine erhebliche Energie. Er traf mit rund fünfzig Prozent der Lichtgeschwindigkeit auf die Protonen im Wasserstoff-Ziel. Dabei schlugen diese Protonen häufig die zwei zentralen Protonen mitsamt den eng an sie gebundenen zwei Neutronen des Helium-8 als Helium-4-Kern heraus, sodass die vier Neutronen in der „Außenhaut“ übrigblieben – ein Tetraneutron war entstanden.

Bereits einzelne Neutronen lassen sich kaum detektieren. Auch der Nachweis des Tetraneutrons gelang nur indirekt, indem die Wissenschaftler die Eigenschaften der ein- und ausfliegenden Teilchen genau analysierten. Hinzu kommt, dass die Tetraneutronen praktisch an Ort und Stelle wieder zerfielen: Nur einen extrem kurzen Augenblick von rund einer zehnmilliardstel billionstel Sekunde (10–22 Sekunden) blieb das Viererpaket zusammen.

Rätsel des Zerfalls

Als nächstes wollen die Wissenschaftler herausfinden, wie das Tetraneutron auseinanderfällt. „Wird es erst ein Neutron abdampfen oder gleich in zwei Paare zerfallen?“, fragt Gernhäuser. „Oder zerfällt es sofort in seine Bestandteile, sobald sich ein Neutron zu lösen beginnt?“

Um diese Fragen zu beantworten, müssen die Physiker ihre Messtechnik weiterentwickeln, damit die Nachweisrate besser wird. Andere Experimente lassen hoffen, dass sich sogar wesentlich langlebigere Tetraneutronen erzeugen lassen, an denen man all diese Phänomene viel einfacher studieren könnte. Dieses Experiment am Maier-Leibnitz-Laboratorium in Garching bei München wurde von Thomas Faestermann geleitet.

Vielleicht gibt es Tetraneutronen, die ohne überschüssige Energie entstehen und dadurch viele Sekunden lang stabil bleiben. Allerdings sind die bisherigen Resultate statistisch nicht signifikant, sodass hier noch einiges an Forschungsarbeit nötig sein wird.

Auch für die Theoretiker wird es jetzt spannend: Die Messungen der kommenden Jahre werden zeigen, welche ihrer Ansätze sich brauchbar sind und an welchen mathematischen Schräubchen gedreht werden muss, um weitere substanzielle Fortschritte zu erzielen. Weitgehend unbemerkt von der Öffentlichkeit gab es nämlich in den letzten Jahren in der Kernphysik einen bemerkenswerten theoretischen Fortschritt beim Verständnis der Kernmaterie, zu dem die Neutronenquartette nun beitragen sollen.

Sogar in der Astrophysik könnten die Tetraneutronen helfen: beim Verständnis der entarteten Materie im Inneren von Neutronensternen. Denn die physikalischen Extremzustände in den kollabierten Kernen ausgebrannter Riesensterne sind weitgehend unbekannt.