Aufbau von Atomkernen

Atomkerne besser verstehen dank neuer Methode

Wie der genaue Aufbau von Atomkernen aussieht, ist ein altes aber immer noch nicht vollständig gelöstes Problem und ein hochaktuelles Forschungsgebiet in den Naturwissenschaften. Physiker der Ruhr-Uni Bochum haben jetzt zusammen mit Kollegen der Uni Bonn ein Verfahren entwickelt, mit dem man sehr präzise die Kräfte berechnen kann, die zwischen den Teilchen innerhalb des Kerns wirken.

Theorie bekannt, aber zu kompliziert

Atomkerne setzen sich aus Protonen und Neutronen zusammen, die ihrerseits eine komplizierte innere Struktur haben und aus sogenannten Quarks und Gluonen bestehen. Obwohl die Theorie der Starken Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen seit langer Zeit bekannt ist, ist sie zu kompliziert, um damit die Eigenschaften von Kernen zu beschreiben. Jedoch lassen sich Atomkerne als Zusammensetzung aus Protonen und Neutronen beschreiben, ohne dass man die innere Struktur dieser Teilchen auflösen muss. So eine Beschreibung erfordert allerdings die genaue Kenntnis der zwischen Protonen und Neutronen wirkenden Kräfte.

Das Zweiteilchensystem

Die Eigenschaften des aus einem Proton und einem Neutron bestehenden Zweiteilchensystems sind experimentell sehr gut bekannt. Es war daher eine besondere Herausforderung, diese präzisen experimentellen Daten zu reproduzieren und eine hohe theoretische Genauigkeit zu erlangen. Prof. Dr. Evgeny Epelbaum vom Institut für Theoretische Physik II der RUB erklärt, wie er und seine Kollegen dabei vorgegangen sind: „In der Studie haben wir hochpräzise Rechnungen unter Verwendung einer so genannten effektiven Feldtheorie zu den Kräften zwischen Protonen und Neutronen durchgeführt. Kombiniert mit einem neuen Verfahren zur Analyse der theoretischen Unsicherheiten, das wir in einer früheren Studie entwickelt haben (siehe Infokasten), konnten wir die Eigenschaften des einfachsten nuklearen Systems , das aus einem Proton und einem Neutron besteht, beschreiben."

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In Zukunft größere Atomkerne

In Zukunft sollen diese Studien auf größere Kerne erweitert werden, um beispielsweise mehr über die zwischen einem Proton und zwei Neutronen wirkenden Kräfte zu erfahren. Solche Dreiteilchenkräfte sind bislang noch nicht gut theoretisch verstanden und stehen daher im Mittelpunkt der aktuellen Forschung zur theoretischen Kernphysik.

Förderung
Diese Studien wurden im Rahmen des ERC Starting Grant NuclearEFT sowie des CRC 110 (Uni Bonn) an der RUB durchgeführt.

Titelaufnahme:
E. Epelbaum, H. Krebs, U.-G. Meißner, (2015): Precision nucleon-nucleon potential at fifth order in the chiral expansion, Phys. Rev. Lett., DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.122301.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Evgeny Epelbaum, Institut für Theoretische Physik II, Fakultät für Physik und Astronomie, Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, E-Mail: evgeny.epelbaum@rub.de.

Infokasten:
Der erste Teil der Studie wurde bereits vor einiger Zeit bereits in Eur. Phys. J. A51 (2015) 5, 53 veröffentlicht und von den Editoren zum EPJ A Highlight gewählt.
http://epjh.epj.org/epja-news/945-epja-highlight-a-new-generation-of-chiral-nuclear-forces

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