Yoctosecond imaging of the 129Xe ground state at the Large Hadron Collider

Um den Kern eines Atoms zu verstehen, haben sich Wissenschaftler lange Zeit auf zwei sehr unterschiedliche Arten verlassen, die Welt zu betrachten. Ein Ansatz nutzt niederenergetische Experimente, bei denen Teilchenstrahlen die Oberfläche eines Kerns sanft sondieren und dessen durchschnittliche Form und Größe offenlegen. Der andere nutzt hochenergetische Kollisionen, bei denen Atome mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zusammengestoßen werden, um einen kurzen, glühenden Feuerball aus subatomaren Teilchen zu erzeugen. Jahrzehntelang blieben diese beiden Welten weitgehend getrennt. Die hochenergetischen Kollisionen wurden prims als ein Weg angesehen, die fundamentalen Kräfte zu untersuchen, die die Materie zusammenhalten, während die niederenergetischen Methoden der Standard für die Kartierung der Struktur einzelner Atome waren. Es ist jedoch eine neue Perspektive entstanden: Die gewaltsame Kollision selbst kann als Kamera fungieren, die eine Momentaufnahme der internen Anordnung des Kerns macht, bevor dieser zerstört wird. Dies ist möglich, weil die Kollision so schnell abläuft, dass die Positionen der Protonen und Neutronen im Inneren des Kerns während des Aufpralls effektiv an Ort und Stelle eingefroren sind. Durch die Analyse der Trümmer, die nach dem Crash herausfliegen, können Physiker rückwärts rechnen, um die Anordnung dieser Teilchen zu rekonstruieren, und so den Kern auf eine Weise bildlich darstellen, die zuvor unmöglich war.

Ein Forscherteam am CERN hat dieses Konzept nun einen bedeutenden Schritt weitergeführt, indem es Daten aus dem Large Hadron Collider nutzte, um ein detailliertes Bild des Grundzustands des Xenon-129-Kerns zu erstellen. In einer kürzlich veröffentlichten Studie kombinierten sie ein Modell des Kerns als rotierendes, deformiertes Objekt mit komplexen Computersimulationen der resultierenden Kollision. Das Ziel war es, über das bloße Vermuten der Form des Kerns hinauszugehen und stattdessen präzise, quantitative Messungen darüber zu gewinnen, wie seine Protonen und Neutronen untereinander korreliert sind. Durch die Analyse der Muster von Teilchen, die bei Kollisionen zwischen Xenonatomen entstehen, und durch den Vergleich mit Kollisionen zwischen Bleiatomen konnte das Team bestimmen, dass der Xenon-129-Kern keine perfekte Kugel und auch kein einfaches Oval ist. Stattdessen besitzt er eine komplexe, dreiseitige Asymmetrie – eine Form, die mit den theoretischen Vorhersagen für dieses spezifische Isotop übereinstimmt. Dieser Erfolg markiert einen Wandel von der qualitativen Beobachtung zur quantitativen Messung, der es Wissenschaftlern ermöglicht, Teilchenbeschleuniger als Präzisionsinstrumente zur Kartierung der internen Geometrie von Atomkernen einzusetzen.

Der Prozess beruht auf den einzigartigen Bedingungen, die entstehen, wenn zwei schwere Ionen mit ultrarelativistischen Geschwindigkeiten kollidieren. Wenn ein Xenonkern mit einem anderen zusammenstößt, findet die Wechselwirkung in weniger als einer Yoktosekunde statt – eine Zeitskala, die so kurz ist, dass die Protonen und Neutronen im Inneren während des Aufpralls ihre Position nicht verändern oder neu anordnen können. Sie sind in der Konfiguration eingefroren, die sie unmittelbar vor dem Crash innehatten. Diese eingefrorene Konfiguration wird dann auf die Kollisionsebene projiziert, wodurch ein spezifisches geometrisches Muster entsteht. Dieses Muster bestimmt, wie sich der resultierende Feuerball aus heißer Materie, bekannt als Quark-Gluon-Plasma, ausdehnt und abkühlt. Wenn der Kern rund ist, dehnt sich der Feuerball gleichmäßig aus. Wenn der Kern gestreckt oder abgeflacht ist, dehnt sich der Feuerball in einigen Richtungen stärker aus als in anderen. Durch die Messung des endgültigen Teilchenflusses, der aus diesem Feuerball austritt – insbesondere wie sie sich in Relation zueinander bewegen –, können Physiker auf die Form des ursprünglichen Kerns schließen.

Die Forscher konzentrierten sich auf das Isotop Xenon-129, das dafür bekannt ist, deformiert zu sein, was bedeutet, dass es keine perfekte Kugel ist. Sie verwendeten eine statistische Methode namens Bayessche Inferenz, um einen massiven Datensatz von Kollisionen zu analysen. Diese Methode ermöglichte es ihnen, Millionen möglicher Formen und Orientierungen gegen die experimentellen Daten zu testen, um zu sehen, welche davon mit den beobachteten Teilchenflüssen übereinstimmten. Sie fanden heraus, dass die Daten stark ein Modell stützen, bei dem der Xenonkern triaxial ist, was bedeutet, dass er drei ungleiche Achsen besitzt und einer leicht zerquetschten, unregelmäßigen Form ähnelt, statt eines einfachen Rugbyballs oder eines Pfannkuchens. Die Studie ergab, dass die Deformation nahezu maximal ist, mit einem spezifischen Asymmetriewinkel von etwa 40 Grad. Dieses Ergebnis ist signifikant, da es mit unabhängigen Berechnungen durch andere theoretische Methoden übereinstimmt, was bestätigt, dass der hochenergetische Kollisionsansatz zuverlässig strukturelle Details extrahieren kann, die zuvor nur durch niederenergetische Experimente zugänglich waren.

Über die Bestätigung der Form hinaus lieferte die Studie die ersten experimentellen Messungen spezifischer Korrelationen zwischen den Protonen und Neutronen im Inneren des Kerns. In einem Quantensystem ist die Position eines Teilchens oft mit der Position eines anderen verknüpft, ein Phänomen, das als Korrelation bekannt ist. Die Forscher waren in der Lage, diese Verbindungen sowohl für Paare von Teilchen als auch für Gruppen von drei Teilchen zu quantifizieren. Sie fanden heraus, dass die Anordnung dieser Teilchen eine deutliche Signatur in den Kollisionstrümmern hinterlässt. Beispielsweise maßen sie, wie die Gesamtgröße des Kerns mit seiner Form zusammenhängt, und fanden eine spezifische Beziehung, die für dieses Isotop gilt. Diese Messungen dienen als neue Benchmarks für Theoretiker, die versuchen, fundamentale Modelle des Kerns von Grund auf neu aufzubzubauen. Durch die Bereitstellung konkreter Zahlen für diese Korrelationen bietet die Studie einen neuen Weg, um die Theorien zu testen und zu verfeinern, die beschreiben, wie die starke Kernkraft die Materie bindet.

Die Auswirkungen dieser Arbeit erstrecken sich über die Struktur eines einzelnen Atoms hinaus. Die Fähigkeit, detaillierte Kernstrukturen aus hochenergetischen Kollisionen zu extrahieren, eröffnet einen neuen Weg zur Untersuchung der fundamentalen Eigenschaften der Materie. Die Forscher merkten an, dass ihre Erkenntnisse dazu beitragen könnten, Berechnungen für den neutrinolosen Doppel-Beta-Zerfall zu verbessern – einen seltenen Prozess, der, falls er beobachtet wird, beweisen würde, dass Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind. Das Verständnis der präzisen Anordnung der Nukleonen in den Mutterkernen ist entscheidend für die Vorhersage der Rate dieses Zerfalls. Darüber hinaus könnten die hier entwickelten Techniken auf andere Isotope angewendet werden, was potenziell neue Details über die Kernkraft und das Verhalten von Materie unter extremen Bedingungen offenlegt. Die Studie befasste sich auch mit dem Blei-208-Kern und fand Hinweise auf eine andere Art von Deformation, die durch andere Experimente nahegelegt wurde, was die Sensitivität der Methode weiter validiert.

Diese Forschung zeigt, dass der Large Hadron Collider, der oft mit der Suche nach neuen Teilchen und dem Ursprung des Universums assoziiert wird, auch als leistungsstarkes Mikroskop für den Atomkern dienen kann. Indem sie die Kollision als einen plötzlichen Sondenprozess behandeln, der die Kernkonfiguration einfriert, haben Wissenschaftler ein zerstörerisches Ereignis in eine Quelle präziser Strukturinformationen verwandelt. Der Erfolg des Teams bei der Kartierung des Xenon-129-Kerns legt nahe, dass dieser Ansatz genutzt werden kann, um die Grundzustände vieler anderer Isotope zu erforschen und so eine Fülle neuer Daten für Kernphysiker bereitzustellen. Die Ergebnisse bestätigen, dass die komplexen Vielteilchen-Dynamiken von Protonen und Neutronen einen klaren und messbaren Abdruck in den Trümmern hochenergetischer Kollisionen hinterlassen und so die Lücke zwischen der hochenergetischen Welt der Teilchenphysik und der niederenergetischen Welt der Kernstruktur schließen.