Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung von HFHF-Wissenschaftlern hat bei GSI/FAIR in Darmstadt Hinweise auf einen bislang nicht beobachteten exotischen Atomkernzustand gefunden. Im Zentrum steht ein ungewöhnliches System aus einem Atomkern des Kohlenstoffisotops ¹¹C und einem η′-Meson — einem kurzlebigen Teilchen, das aus einem Quark und einem Antiquark besteht. Besonders bemerkenswert: Dieses System wäre nicht elektromagnetisch gebunden, sondern ausschließlich durch die starke Wechselwirkung, also durch jene fundamentale Kraft, die auch Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhält.
Die Beobachtung ist deshalb von großer Bedeutung, weil ein solcher η′-Meson-Kern-Zustand bereits seit rund 20 Jahren theoretisch vorhergesagt wurde, experimentell aber bislang nicht nachgewiesen werden konnte. Nun ist einem Team der η-PRiME-Kollaboration und der Super-FRS-Experimentkollaboration ein wichtiger Hinweis auf seine Existenz gelungen. Beteiligt waren HFHF-Wissenschaftler der Justus-Liebig-Universität Gießen, darunter insbesondere Christoph Scheidenberger.
Das Experiment wurde am GSI-Fragmentseparator im Rahmen des FAIR-Phase-0-Forschungsprogramms durchgeführt. Ein Protonenstrahl traf dabei mit rund 96 Prozent der Lichtgeschwindigkeit auf einen Kohlenstoff-12-Atomkern. In der Reaktion wurde dem Kern ein Neutron entrissen, das zusammen mit dem Proton ein Deuteron bildete. Zurück blieb ein angeregter Kohlenstoff-11-Kern. Aus dieser Anregungsenergie kann ein η′-Meson entstehen, das sich in seltenen Fällen an den ¹¹C-Kern bindet.
Da dieser Zustand extrem kurzlebig ist, mussten die Forschenden seine Entstehung indirekt rekonstruieren. Dafür wurde ein spezieller Versuchsaufbau entwickelt, der sowohl das entstehende Deuteron als auch typische Zerfallsprodukte des kurzlebigen Systems misst. Auf diese Weise lassen sich Bildung, Existenz und Zerfall des η′-Meson-Kern-Systems aus einer Vielzahl anderer Reaktionen herausfiltern.
Die Bedeutung des Ergebnisses reicht über die Suche nach einem exotischen Atomkernzustand hinaus. Die Messung liefert auch Hinweise darauf, dass sich die Masse des η′-Mesons im Inneren eines Atomkerns verringert. Damit berührt das Experiment eine der grundlegenden Fragen der modernen Hadronen- und Kernphysik: Wie entsteht Masse bei stark wechselwirkenden Teilchen?
Beim η′-Meson macht die Summe der Quarkmassen nur einen sehr kleinen Teil der Gesamtmasse aus. Der überwiegende Anteil entsteht aus der Energie der starken Wechselwirkung zwischen den Bestandteilen. Wenn sich die Eigenschaften des η′-Mesons im Kern ändern, liefert das daher Hinweise darauf, wie sich die starke Wechselwirkung in dichter Kernmaterie verhält. Diese Frage betrifft nicht nur Mesonen. Auch bei Protonen und Neutronen entsteht der größte Teil der Masse nicht aus den Massen der einzelnen Quarks, sondern aus der Dynamik der starken Wechselwirkung. Das Experiment liefert damit einen Baustein zum Verständnis jener Prozesse, die letztlich auch den größten Teil der sichtbaren Masse unserer Alltagswelt bestimmen.
Die Kollaboration plant bereits ein verbessertes Folgeexperiment. Ziel ist es, deutlich mehr Messdaten zu gewinnen und die spektroskopischen Eigenschaften des gebundenen η′-Meson-Kern-Systems genauer zu bestimmen. Dazu gehören insbesondere Energieniveaus, Bindungsenergie und Zerfallsbreite. Diese Größen sind entscheidend, um die Wechselwirkung zwischen η′-Meson und Atomkern quantitativ besser zu verstehen.
Mit dem künftigen internationalen Beschleunigerzentrum FAIR, das derzeit bei GSI entsteht, werden sich solche Untersuchungen weiter vertiefen lassen. Höhere Strahlintensitäten und neue experimentelle Möglichkeiten sollen künftig helfen, seltene Reaktionen präziser zu messen und damit noch detailliertere Einblicke in den Aufbau der Materie zu gewinnen.
Der nun veröffentlichte Hinweis auf ein η′-Meson-Kern-System zeigt exemplarisch, wie moderne Beschleunigerexperimente theoretische Vorhersagen über Jahrzehnte hinweg verfolgen und schließlich experimentell zugänglich machen können. Für die Forschung bei GSI/FAIR ist das Ergebnis ein wichtiger Erfolg: Es verbindet Präzisionsexperimente, internationale Kooperation und grundlegende Fragen der Quantenchromodynamik. Genau da kann die HFHF mit ihrer Expertise sich perfekt einbringen.