Grafische Darstellung der Alpha-Cluster im Kohlenstoff-12-Kern, die in Form eines "gebeugten Arms" angeordnet sind (Illu.) | Copyright/Quelle: NCSU / ruhr-uni-bochum.de
Bochum (Deutschland) - Erstmals ist es Wissenschaftlern gelungen, mittels Computersimulationen jene Momente festzuhalten, in denen sich Partikel zusammenschließen, um das Element Kohlenstoff zu bilden, auf dem alles irdische Leben basiert. Zugleich ergeben sich so Einblicke in die Entstehung der Elemente.
Schon im vergangenen Jahr war es dem internationalen Forscherteam mit Beteiligung der Ruhr-Universität Bochum, der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn und der North Carolina State University erstmals gelungen, den Kohlenstoffkern zu berechnen.
Jetzt berichten die Wissenschaftler über einen weiteren Durchbruch bei der Erforschung des sogenannten Hoyle-Zustands von Kohlenstoff-12: Auf einem "Schnappschuss“ einer Computersimulation sei "förmlich zu sehen, wie sich Partikel zusammenschließen, um das Element zu bilden. Aus der Grafik ergibt sich eine Struktur, die wie ein gebeugter Arm aussieht", berichtet die Pressemitteilung der Ruhr-Universität Bochum.
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Wie die Forscher aktuell im Fachjournal "Physical Review Letters" berichten, stellt der Hoyle-Zustand eine energiereiche Form des Kohlenstoffkerns dar. "Er ist der Bergpass, über den man von einem Tal ins andere gelangt: von drei Kernen des Gases Helium zum sehr viel größeren Kohlenstoffkern." Diese Verschmelzungsreaktion findet im heißen Inneren schwerer Sterne statt. "Gäbe es den Hoyle-Zustand nicht, hätten im Weltall nur sehr wenig Kohlenstoff oder andere höhere Elemente wie Sauerstoff, Stickstoff und Eisen entstehen können. Ohne diese Art von Kohlenstoffkern wäre daher vermutlich auch kein Leben möglich gewesen." Prof. Dr. Ulf-G. Meißner vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn, Prof. Dr. Evgeny Epelbaum und Dr. Hermann Krebs vom Institut für Theoretische Physik II der RUB und Prof. Dean Lee von der North Carolina State University gelang es erst 2011, den seit 1954 bekannten Hoyle-Zustand zu berechnen.
Kohlenstoff-12 kann nur existieren, wenn sich drei Alpha-Teilchen (oder Helium-4-Kerne) auf eine ganz bestimmte Weise zusammenschließen. Die deutschen und amerikanischen Forscher bestätigten die Existenz dieses Hoyle-Zustands mit Hilfe eines numerischen Gitters, das es ihnen ermöglichte zu simulieren, wie die Protonen und Neutronen zusammenwirken.
Hinzu wollten die Forscher jedoch außerdem herausfinden, wie die Nukleonen (und damit also die Protonen und Neutronen im Inneren eines Atomkerns) im Kern von Kohlenstoff-12 angeordnet sind. Dies würde ihnen erlauben, die Struktur des Hoyle-Zustandes zu "sehen". Mit Hilfe des gleichen Gitters stellten die Forscher nun zusammen mit Dr. Timo Lähde vom Forschungszentrum Jülich fest, dass die sechs Protonen und sechs Neutronen von Kohlenstoff-12 drei "Alpha-Cluster" mit jeweils vier Nukleonen bilden. Bei geringer Energie neigten die Alpha-Cluster dazu, in einer kompakten dreieckigen Formation zusammen zu klumpen. Doch im Hoyle-Zustand, einem angeregten Zustand mit höherer Energie, schließen sich die drei Alpha-Cluster zu einer Struktur zusammen, die einem gebeugten Arm ähnelt.
Allerdings werfe die Entdeckung zugleich auch neue Fragen auf: "Es ist interessant, dass für den Hoyle-Zustand die bevorzugte Teilchenanordnung nicht in einer geraden Kette zu bestehen scheint", so Prof. Dean Lee. "Eine Biegung in dieser Kette scheint erforderlich zu sein. Diese Arbeit führt uns zu der Frage, welche anderen Kerne über solche Alpha-Cluster-Strukturen verfügen. Dies wären in der Kernphysik ziemlich exotische Anordnungen, die einige wirklich spannende Fragen zur Form und Stabilität aufwerfen würden - beispielsweise, ob Alpha-Cluster längere Ketten bilden können. Wir überprüfen diese Möglichkeiten." Prof. Evgeny Epelbaum ergänzt: "Die weitere Erforschung des Hoyle-Zustands gehört zu den interessantesten, schwierigsten und aktuellsten Herausforderungen in der Kernphysik."
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Quelle: ruhr-uni-bochum.de