Modellrechnung für magnetische Momente Das Innere von Atomen besser verstehen

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In Atomkernen entstehen kleinste magnetische Momente, die sich mit Laserspektroskopie messen lassen. Bislang stimmten die theoretischen Berechnungen und die experimentellen Messungen allerdings nur unzureichend überein. Ein neues Modell liefert nun deutlich realistischere Ergebnisse.

Im Innern von Atomkernen ist eine Menge los. Protonen und Neutronen schwirren umher und wechselwirken miteinander. Die Bewegung der Kernteilchen sowie deren Eigendrehimpulse induzieren magnetische Momente. Im Zusammenspiel führt das dazu, dass Atomkerne winzige Magnete sein können. „Mit laserspektroskopischen Methoden lässt sich das magnetische Moment selbst von exotischen, kurzlebigen Kernen sehr präzise bestimmen“, sagt Professor Achim Schwenk vom Institut für Kernphysik der TU Darmstadt. Als theoretischer Physiker hat er sich allerdings auf die rechnerische Beschreibung von Kerneigenschaften spezialisiert. Und die ließ bezüglich des magnetischen Moments bislang zu wünschen übrig. Das heißt: Die experimentell gemessenen und die berechneten Werte klafften bei vielen Kernen auseinander.

Nun ist dem Team um Schwenk ein Durchbruch gelungen. Die berechneten Werte des magnetischen Moments stimmen besser mit den gemessenen überein als je zuvor, wie die Forschenden in der aktuellen Ausgabe von „Physical Review Letters“ zeigen. Die neuen Rechnungen funktionierten für Kerne von relativ leichten Elementen wie Sauerstoff bis zu schweren Elementen wie Bismut, betont Schwenk: „Es war uns wichtig, dass wir einen weiten Massebereich abdecken.“

Laserspektroskopie von H2+

Das simpelste Molekül überhaupt erstmals im Schwingungsversuch

Two-Body-Problem: Wenn Neutronen und Protonen wechselwirken

Für die Messungen des magnetischen Moments nutzen Wissenschaftler die Laserspektroskopie, bei der ein Lichtteilchen an ein Kernteilchen koppelt. Dabei wurde bisher allerdings ausgeblendet, dass das Kernteilchen gleichzeitig mit weiteren Protonen oder Neutronen wechselwirkt. Die Kopplung der Lichtteilchen an wechselwirkende Kernteilchen kann durch die Berücksichtigung von so genannten Zwei-Teilchen-Strömen einbezogen werden. Zwei-Teilchen-Ströme fließen, wenn Protonen und Neutronen während der Wechselwirkung geladene Teilchen austauschen. Theorien der elektromagnetischen und der starken Wechselwirkung sagen das konsistent vorher. „Die Berücksichtigung der Zwei-Teilchen-Ströme hat die Berechnung der magnetischen Momente deutlich verbessert“, sagt Dr. Takayuki Miyagi, Erstautor der Publikation und jetzt Assistenz-Professor an der Universität im japanischen Tsukuba.

Subatomare Physik durchdringen

„In der Beschreibung von Atomkernen sind wir jetzt einen entscheidenden Schritt vorangekommen“, fasst Schwenk zusammen. „Die elektromagnetischen Eigenschaften und somit auch das Verhalten der Kerne mit elektromagnetischen Feldern sind verstanden, nun können wir die nächsten Fragen angehen.“ Zwei-Teilchen-Beiträge seien in der Kern- und Teilchenphysik von grundlegender Bedeutung, ergänzt er und nennt als Beispiel die Neutrino-Forschung. Um die Eigenschaften dieser Elementarteilchen zu ergründen, betrachtet man unter anderem deren Wechselwirkung mit Atomkernen.

In der subatomaren Welt gibt es noch viel zu entdecken. Die Forschung ist komplex und profitiert von internationalen Kooperationen. An der aktuellen Studie beteiligten sich neben Physik-Forschenden der TU Darmstadt auch Forschende der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz, der University of Illinois in Urbana-Champaign, des Massachusetts Institute of Technology und des kanadischen Forschungszentrums TRIUMF in Vancouver.

Originalpublikation: T. Miyagi, X. Cao, R. Seutin, S. Bacca, R. F. Garcia Ruiz, K. Hebeler, J. D. Holt, and A. Schwenk: Impact of Two-Body Currents on Magnetic Dipole Moments of Nuclei, Phys. Rev. Lett. 132, 232503 (2024); DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.232503

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