Singular observation of shape and spin hindrance in metastable nuclear decay of $^{197}$Au

Im Herzen eines jeden Atoms liegt ein Kern, ein dicht gepackter Cluster aus Protonen und Neutronen, der sich normalerweise mit vorhersehbarer Einfachheit verhält. Wenn diese Kerne angeregt werden, geben sie ihre überschüssige Energie in der Regel fast augenblicklich ab, indem sie sie in einem Bruchteil einer Sekunde wegschleudern. Die Natur schafft jedoch gelegentlich eine seltene Ausnahme: einen Kernisomer. Dies ist ein Zustand, in dem der Kern „feststeckt“ und seine Energie über eine überraschend lange Zeit zurückhält, manchmal Sekunden oder sogar Jahre. Diese Verzögerung tritt auf, weil der Kern seine Form oder seinen Spin so verändert hat, dass es ihm sehr schwerfällt, in einen ruhigeren Zustand zurückzukehren. Wissenschaftler untersuchen diese hartnäckigen Zustände, da sie als empfindliche Sonden dienen, die offenbaren, wie die fundamentalen Bausteine der Materie interagieren und wie die Regeln der Quantenwelt das physische Universum formen.

Seit Jahrzehnten wissen Forscher von zwei Hauptgründen, warum ein Kern feststecken könnte. Manchmal verändert der Kern seine physische Form, etwa wie ein Ball, der sich zu einem Football dehnt, und die Energie, die erforderlich ist, um ihn wieder in die Ursprungsform zu bringen, ist zu hoch. Ein anderes Mal rotiert der Kern so schnell oder in einer so spezifischen Richtung, dass er nicht ohne Weiteres langsamer werden kann, ohne die Regeln der Physik zu brechen. Bis jetzt wurden diese beiden Gründe für die Verzögerung als getrennte Phänomene betrachtet, die in unterschiedlichen Arten von Atomen auftreten. Ein Team von Physikern hat nun einen einzigartigen Fall entdeckt, in dem beide Gründe gleichzeitig in einem einzigen Atom auftreten und ein komplexes Rätsel aufwerfen, das unser bisheriges Verständnis darüber herausfordert, wie Atomkerne aufgebaut sind.

Die Forscher konzentrierten ihre Aufmerksamkeit auf Gold, speziell auf das stabile Isotop Gold-197. Obwohl Gold ein vertrautes Metall ist, kann sein Atomkern durch hochenergetische Teilchenstrahlen in einen angeregten Zustand versetzt werden. In Experimenten, die am ATLAS-Beschleuniger in Illinois durchgeführt wurden, beschossen Wissenschaftler eine dicke Goldfolie mit schweren Atomstrahlen, um die Goldkerne in diese energiereichen Zustände zu versetzen. Sie warteten dann und nutzten hochempfindliche Detektoren, um auf die schwachen Signale von Gammastrahlen zu hören – das Licht, das emittiert wird, wenn der Kern schließlich entspannt. Durch die sorgfältige Zeitmessung dieser Signale konnten sie einen neuen, langlebigen Zustand innerhalb des Goldkerns identifizieren, der zuvor noch nie gesehen worden war.

Dieser neu gefundene Zustand befindet sich auf einem Energieniveau von 2102 Kiloelektronenvolt und besitzt einen Spin-Wert von 29/2, einem Maß für seinen Drehimpuls. Was diese Entdeckung bemerkenswert macht, ist die Art und Weise, wie der Kern entscheidet, seine Energie loszulassen. Anstatt einen einzigen, geradlinigen Weg einzuschlagen, steht er vor einem seltsamen Dilemma. Er kann Energie freisetzen, indem er seine Form verändert – ein Prozess, der normalerweise effizient ist, aber in diesem Fall stark blockiert wird. Gleichzeitig kann er Energie freisetzen, indem er an Spin verliert – ein Prozess, der normalerweise mit nahezu „Single-Particle-Stärke“ abläuft, hier jedoch mit der blockierten Formänderung konkurriert. Der Kern teilt seinen Zerfall schließlich in zwei konkurrierende Zweige auf: einen, der durch eine Formänderung stark behindert wird, und einen anderen, der einen spinbezogenen Pfad mit vergleichbarer Intensität verfolgt, trotz der ungewöhnlichen Koexistenz dieser Mechanismen.

Das Team maß die Lebensdauer dieses Zustands mit mehr als zehn Sekunden, was in der Welt der Kernphysik eine Ewigkeit ist. Sie beobachteten, dass der Kern eine Gammastrahlung mit einer Energie von 266,6 Kiloelektronenvolt emittiert, während er auf ein niedrigeres Energieniveau absinkt. Diese spezifische Emission ist eine Art von Übergang, die normalerweise sehr selten und langsam ist, doch hier konkurriert sie direkt mit einem viel schwächeren, formverändernden Übergang, der fast vollständig unterdrückt wird. Diese ungewöhnliche Koexistenz einer blockierten Formänderung und einer konkurrierenden Spinänderung wurde zuvor noch nie in einem langlebigen Kernzustand beobachtet. Es deutet darauf hin, dass der Goldkern zwischen zwei verschiedenen strukturellen Realitäten gefangen ist, unfähig, sich voll und ganz für die eine oder die andere zu entscheiden.

Um zu verstehen, warum dies geschieht, führten die Wissenschaftler detaillierte Computersimulationen mit zwei verschiedenen Modellen der Kernstruktur durch. Ein Modell behandelte den Kern als ein deformiertes, rotierendes Objekt, während das andere die einzelnen Teilchen im Inneren betrachtete. Beide Modelle stimmten darin überein, dass der Kern eine moderate, abgeflachte Form besitzt, offenbarten jedoch auch einen Konflikt. Die Berechnungen zeigten, dass der Übergang, der die Formänderung beinhaltet, viel stärker sein sollte, als tatsächlich beobachtet wurde, während der spinbezogene Übergang besser zu den Daten passte. Diese Diskrepanz deutet darauf hin, dass den einfachen Modellen etwas Wichtiges fehlt – nämlich wie die Form und die einzelnen Teilchen in diesem spezifischen Zustand miteinander vermischt werden. Die Ergebnisse legen nahe, dass selbst in der Nähe stabiler, gut verstandener Regionen des Periodensystems das Verhalten von Atomkernen weitaus komplexer sein kann, als bisher angenommen.

Dieser Befund ist bedeutsam, da er eine Neubewertung dessen erzwingt, wie Wissenschaftler das innere Leben eines Atoms beschreiben. Aktuelle Theorien behandeln oft die kollektive Form eines Kerns und das Verhalten seiner einzelnen Teilchen als getrennte Geschichten. Der Gold-197-Isomer zeigt, dass diese Geschichten tief miteinander verwoben sind, wobei die Form den Zerfall behindert, während der spinbezogene Übergang mit nahezu Single-Particle-Stärke abläuft. Dies schafft einen einzigartigen Referenzpunkt für die Testung moderner Theorien, da jedes erfolgreiche Modell nun in der Lage sein muss, zu erklären, wie diese zwei verschiedenen Arten von Widerstand in einem einzigen Atom zusammenwirken. Die Entdeckung fügt sich nicht einfach nur als neuer Eintrag in eine Liste nuklearer Zustände hinzu; sie öffnet ein Fenster zum komplexen Zusammenspiel zwischen der kollektiven Bewegung des Kerns und der Quantenmechanik seiner Bestandteile und beweist, dass selbst in der vertrauten Welt des Goldes noch tiefe Geheimnisse warten, die gelöst werden wollen.