Neue Methode zur Präzisionsberechnung des Neutronenladungsradius

Während Bestimmungen des Neutronenladungsradius' bisher auf alten Messungen mit schweren Atomen auf sehr indirekte Weise vorgenommen wurden, ist ein Team der Theoretischen Physik der Ruhr-Universität Bochum (RUB) einen neuen Weg gegangen. Die Forscher kombinierten ihre sehr genauen Berechnungen mit neueren Messungen an leichten Kernen und kamen so zu einer direkteren Methodik.

Ihre Ergebnisse, die deutlich von bisherigen abweichen, beschreiben die Forscher um Prof. Dr. Evgeny Epelbaum in der Zeitschrift Physical Review Letters vom 25. Februar 2020 [siehe Hinweis unten].

Die komplexe innere Struktur der Nukleonen

Neutronen und Protonen, die zusammen als Nukleonen bezeichnet werden, bilden Atomkerne und gehören somit zu den häufigsten Teilchen in unserem Universum. Die Nukleonen selbst bestehen aus stark wechselwirkenden Quarks und Gluonen und besitzen eine komplexe innere Struktur, deren genaues Verständnis Gegenstand aktiver Forschung ist. Eine der grundlegenden Eigenschaften der Nukleonen ist ihre Größe, die durch die Ladungsverteilung bestimmt wird. "Im Inneren gibt es positive und negative Ladungsbereiche, die beim Neutron zusammengenommen Null ergeben", erklärt Evgeny Epelbaum. "Ihr Radius entspricht der örtlichen Ausdehnung der Ladungsverteilung. Er bestimmt somit die Größe der Neutronen."

Bisherige Bestimmungen dieser Größe basierten auf Streuexperimenten mit sehr niederenergetischen Neutronen an einer Elektronenhülle von schweren Atomen wie etwa Wismut. "Man hat einen solchen Neutronenstrahl auf ein Target aus schweren Isotopen gerichtet, die viele Elektronen tragen, und sich angeschaut, wie viele Neutronen hindurch kamen", sagt der Bochumer Physiker Dr. Arseniy Filin. Daraus hat man dann auf die vermutliche Größe der Neutronen zurückgeschlossen. "Das ist eine sehr indirekte Methode", meint der Physiker.

Bisher angenommener Wert muss korrigiert werden

In der aktuellen Arbeit hat die Gruppe zum ersten Mal den Neutronenladungsradius aus den leichtesten Atomkernen bestimmt. In einer theoretischen Studie ist es ihnen gelungen, den Deuteron-Radius sehr genau zu berechnen. Das Deuteron ist einer der einfachsten Atomkerne und besteht aus einem Proton und einem Neutron. Da sich die beiden Nukleonen im Deuteron relativ weit voneinander entfernt befinden, ist dieser Kern deutlich größer als seine beiden Bestandteile. "Unsere genaue Vorhersage des Deuteron-Radius kombiniert mit hochpräzisen spektroskopischen Messungen der Deuteron-Protonen-Radiusdifferenz ergab einen Wert für den Neutronenradius, der etwa 1,7 Standardabweichungen von den früheren Bestimmungen entfernt ist", fasst Dr. Vadim Baru vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn zusammen. Der bisher angenommene Wert für die Größe eines Neutrons müsse also korrigiert werden.

Förderung

Die Arbeiten wurden gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der National Natural Science Foundation of China im Rahmen des chinesisch-deutschen Sonderforschungsbereichs 110 Symmetries and the Emergence of Structure in QCD (NSFC Grant No.11621131001, Grant Nummer TRR110), dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (Grant Nummer 05P18PCFP1) und der Russian Science Foundation (Grant Nummer 18-12-00226).

A. A. Filin, V. Baru, E. Epelbaum, H. Krebs, D. Möller, P. Reinert:
Extraction of the Neutron Charge Radius from a Precision Calculation of the Deuteron Structure Radius.
In: Physical Review Letters; Phys. Rev. Lett. 124, 082501, (2020), DOI 10.1103/PhysRevLett.124.082501

Quelle: Ruhr-Universität Bochum, RUB

Aktualisiert am 27.02.2020.

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