Wie groß ist ein Atomkern? Diese scheinbar einfache Frage beschäftigt die Kernphysik seit Jahrzehnten und sorgt bis heute für Überraschungen. Bekannt ist etwa das „Protonenradius-Puzzle“, bei dem Messungen mit Elektronen und Myonen widersprüchliche Ergebnisse lieferten. Nun ist einem Team der TU Darmstadt in Zusammenarbeit mit GSI/FAIR, der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR (HFHF) und weiteren Partnern ein Durchbruch gelungen: Mit einer neuen Laser-Spektroskopiemethode haben sie den Ladungsradius des Kohlenstoffisotops ¹³C so präzise bestimmt wie nie zuvor.
Kohlenstoff spielt insbesondere in der nuklearen Astrophysik eine besondere Rolle. Das stabile Isotop ¹²C ist durch den Hoyle-Zustand zentral für die Elemententstehung in Sternen, das um ein Neutron schwere Isotop ¹³C dient als Prüfstein für Theorien zur Kernstruktur und zur Clusterbildung. Bisherige Daten aus Elektronenstreuexperimenten und Messungen an myonischen Atomen wiesen jedoch große Unsicherheiten und teils auch Widersprüche auf.
Die Wissenschaftler nutzten im eigens entwickelten COALA-Aufbau (COllinear Apparatus for Laser spectroscopy and Applied sciences) in Darmstadt hochpräzise Laser-Spektroskopie an mehrfach geladenen Kohlenstoffionen. ¹³C⁴⁺-Ionen wurden erzeugt, mit extrem stabilen Lasern bestrahlt und ihre Resonanzfrequenzen mithilfe von Frequenzkämmen mit einer Genauigkeit von besser als zwei Megahertz bestimmt. Durch den Vergleich mit ¹²C ließ sich die winzige Differenz im Kernradius ermitteln. Das Ergebnis bestätigt im Trend ältere Elektronenmessungen, ist aber sechsmal genauer und offenbart eine deutliche Abweichung zu den Resultaten mit Myonen. Damit ist das Puzzle nicht gelöst, sondern wird noch spannender: Offenbar gibt es systematische Unterschiede je nach Art der verwendeten Sonden, ähnlich wie beim Protonenradius.
Parallel wurden modernste ab-initio-Berechnungen durchgeführt, unter anderem mit der in-medium Similarity Renormalization Group und dem No-Core Shell Model, basierend auf Wechselwirkungen aus der chiralen effektiven Feldtheorie. Das klingt nicht nur kompliziert, sondern ist es auch.
Diese Rechnungen zeigen, dass heutige Modelle viele Details korrekt beschreiben, die feinen Unterschiede zwischen ¹²C und ¹³C aber noch nicht exakt treffen. Die neuen Daten bilden damit einen unverzichtbaren Referenzpunkt, um die Theorien weiterzuentwickeln. Darüber hinaus demonstriert die Arbeit, wie groß das Potenzial der Laser-Spektroskopie von Ionen ist – eine Technik, die auch bei FAIR entscheidend sein wird, wo künftig nicht nur stabile, sondern auch exotische, kurzlebige Kerne untersucht werden. Mit der neuen Bestimmung des Ladungsradius von ¹³C ist den Wissenschaftlern ein Referenzwert von bisher unerreichter Präzision gelungen, der zugleich neue Fragen aufwirft und eindrucksvoll zeigt, wie experimentelle Innovationskraft und theoretische Modellierung zusammenspielen.
Originalpublikation:
https://www.nature.com/articles/s41467-025-60280-9