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F.A.Z. v. 15.9.1999

Ähnlichkeit von Atomkernen

Nachweis der Supersymmetrie / Isotope von Gold und Platin / Von Rainer Scharf

Symmetrien, wie sie etwa ein Kristall aufweist, haben ihren ästhetischen Reiz. Darüber hinaus gewähren sie Einblicke in die Naturgesetze, die den mehr oder weniger symmetrischen Dingen zu Grunde liegen. Im Falle der Atomkerne, die zumeist komplexe Gebilde aus einer großen Zahl von Protonen und Neutronen sind, äußern sich die Symmetrien nur indirekt. Sie müssen aus den charakteristischen Energien herausgelesen werden, die ein Kern aufnehmen und als Gammastrahlung wieder abgeben kann. Auf diese Weise findet man nicht nur räumliche Symmetrien eines einzelnen Atomkerns, zum Beispiel bei Drehung oder Spiegelung, sondern auch Ähnlichkeiten zwischen Kernen unterschiedlicher Zusammensetzung. Eine besonders lief greifende Ähnlichkeit, die nukleare Supersymmetrie, haben jetzt Kernphysiker aus der Schweiz, Deutschland und den Vereinigten Staaten bei Isotopen von Gold und Platin entdeckt.

Die Supersymmetrie ist ursprünglich ein Prinzip aus der Elementarteilchenphysik. Sie stellt einen Zusammenhang zwischen den Fermionen und Bosonen her. Fermionen, zu denen Elektronen und Quarks gehören, tragen einen halbzahligen Spin. Bosonen hingegen, etwa das Photon, weisen einen ganzzahligen Spin auf. Je ein Boson und ein Fermion werden zu einem Paar zusammengefaßt und stellen gewissermaßen die Kehrseiten einer Medaille dar. Dieser noch hypothetische Zusammenhang soll in naher Zukunft mit Hilfe neuer Teilchenbeschleuniger überprüft werden.

Vor einigen Jahren hatte Jan Jolie von der Universität Fribourg in der Schweiz vorgeschlagen, auch in Atomkernen nach Anzeichen von Supersymmetrie zu suchen. Die Kernbausteine - Protonen und Neutronen - sind allesamt Fermionen. Doch Paare von Protonen oder Neutronen haben einen ganzzahligen Spin und damit Eigenschaften eines Bosons. Ein Atomkern besteht demnach aus zahlreichen Bosonen und gegebenenfalls noch bis zu zwei überschüssigen Fermionen. Auf dieser Vereinfachung baut eine Theorie auf, die Francesco Iachello an der Yale University in Connecticut entwickelt hat. Mit ihr lassen sich die Eigenschaften vieler Atomkerne schlüssig beschreiben.

Weil Kerne mit einer ungeraden Zahl von Neutronen und Protonen zwei "störende" Fermionen enthalten, weisen sie eine besonders komplizierte Struktur auf. Gleichwohl läßt sich zwischen diesen Kernen und solchen, in denen die Fermionen durch bosonische Paare von Protonen oder Neutronen ersetzt werden, aufgrund der nuklearen Supersymmetrie ein Zusammenhang herstellen. Die Arbeitsgruppe um Jan Jolie hat diesen Zusammenhang jetzt erstmals anhand von Kernspektren nachgewiesen, und zwar bei den Isotopen Gold-196 und Platin-195 ("Physical Review Letters" Bd. 83, S. 1542).

Gold-196 besitzt ein überschüssiges Proton und Neutron. Sein Kernspektrum ist überaus kompliziert und war bisher im Detail noch weitgehend unbekannt. Deshalb untersuchten Jolie und seine Mitarbeiter zunächst dieses Spektrum genauer. Sie haben dazu am Tandem-Beschleuniger der Universität München Kerne des Isotops Gold-197 mit Protonen beschossen. Dabei entsteht Gold-196 sowie Deuterium. Aus der Geschwindigkeit der davonfliegenden Deuteriumkerne und der vom Gold abgegebenen Gammastrahlung konnten die Wissenschaftler die Energien zahlreicher Anregungszustände des Atomkerns von Gold-196 exakt ermitteln. In Experimenten am Zyklotron des Paul-Scherrer-Instituts in Villigen in der Schweiz wurden parallel dazu die Energien von Platin-195 gemessen. Der Atomkern dieses Isotops enthält nur ein überschüssiges Neutron.

Die Analyse ergab, daß tatsächlich der aus der nuklearen Supersymmetrie abzuleitende Zusammenhang zwischen Gold-196 und Platin-195 besteht. Zahlreiche Anregungsenergien des Goldes lassen sich mit Hilfe einer einfachen Formel aus denen des Platins berechnen - angesichts der enormen Komplexität der Kerne und ihrer Energiespektren ein beeindruckendes Ergebnis. Die mikroskopische Ursache für die Gültigkeit der nuklearen Supersymmetrie ist indes nach Aussage der Wissenschaftler noch weitgehend unbekannt. 
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