US-Forscher haben eine neue und innovative Methode verwendet, um das schwer fassbare Helium-8-Isotop zu erzeugen, einzufangen und zu untersuchen. Helium-8, das sechs Neutronen und nur zwei Protonen enthält, ist die neutronenreichste Substanz, die wir auf der Erde herstellen können, und wir konnten sie bisher nicht genau charakterisieren. Mithilfe einer „Laserfalle“ haben Physiker des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums die Verteilung des Atoms genau kartiert und könnten uns helfen, die Wissenschaft hinter exotischen Neutronensternen zu verstehen.
Wie „fängt“ man also ein Helium-8-Isotop ein? Die Antwort ist alles andere als einfach, aber der Argonne-Physiker Peter Mueller hat eine Lösung gefunden. Mit der Zyklotronanlage GANIL in Nordfrankreich können Helium-4, 6 und gelegentlich Helium-8-Isotope erzeugt werden. Dies ist eines der wenigen Zyklotrons weltweit mit genügend Energie, um das Helium-8-Isotop zu erzeugen. Es ist alles in Ordnung, das Teilchen zu erzeugen, aber um Helium-8 von seinen anderen Heliumisotopen-Geschwistern zu trennen, erfordert ein cleveres und hochpräzises Laser-„Gefängnis“, in das das schwerere Helium-Isotop fallen kann, während die anderen, leichteren Isotope direkt durchfliegen.
Als „Stangen“ der Gefängnistore sind sechs Laser in einem solchen Abstand genau ausgerichtet, dass nur Isotope mit den Abmessungen von Helium-8 gefangen werden. Wenn es ausgerichtet ist, fällt Helium-8 zwischen sie, und sollte das Isotop versuchen zu entkommen, halten Abstoßungskräfte das Isotop still. Sobald genügend Zeit verstrichen ist (ungefähr ein Helium-8-Atom wird alle zwei Minuten erzeugt), feuert das Team zwei weitere Laser mit der gleichen Frequenz wie die Resonanzfrequenz von Helium-8 in die Mitte. Sollte das Lasergefängnis leuchten, wurde Helium-8 eingefangen.
Die häufigste stabile Form von Helium hat zwei Protonen und zwei Neutronen. Helium kann auch zwei habeninstabilIsotope, Helium-6 (vier Neutronen) und Helium-8 (sechs Neutronen). Bei den instabilen Isotopen bilden die zusätzlichen Neutronen einen „Halo“ um den kompakten zentralen Kern (oben abgebildet). Helium-6 hat einen Halo mit zwei Neutronen und Helium-8 hat einen Halo aus vier Neutronen. Im Halo mit zwei Neutronen hat Helium-6 ein ausgeprägtes „Wobble“, da sich die Halo-Neutronen asymmetrisch um den Kern herum anordnen (d. h. sie bündeln). Diese Schiefe verschiebt das Gleichgewichtszentrum vom Kern weg und mehr in Richtung des Halo-Neutronenpaares. Helium-8 hingegen wackelt weniger, da sich die vier Halo-Neutronen symmetrischer um den Kern herum anordnen. Die Laserfalle ist die einzige bekannte Methode, um ein Helium-8-Atom einzufangen, und deshalb kann die Struktur seines Halos endlich mit so hoher Genauigkeit analysiert werden.
Die Messung der Eigenschaften von Helium-8 wird durch seine Radioaktivität erschwert. Helium-8 hat eine Halbwertszeit von nur einer Zehntelsekunde, daher müssen alle Messungen des Atoms sofort vorgenommen werden, wenn das „Gefängnisglühen“ erkannt wird. Messungen werden daher „online“ durchgeführt, was an sich schon eine schwierige Aufgabe ist.
Der Nachweis des seltenen Helium-8-Isotops ist für Teilchenphysiker und Astrophysiker gleichermaßen ein wichtiger Schritt. Es ist wichtig zu verstehen, wie sich Helium nach der Herstellung durch einen Teilchenbeschleuniger konfiguriert, aber es ist auch nützlich, um die Eigenschaften kosmischer Körper wie Neutronensterne zu verstehen. Die Implikationen des Argonne-Experiments werden nützlich sein, wenn bessere spektroskopische Beobachtungen verfügbar werden, sodass die Signatur der Helium-8-Struktur anders als auf der Erde nachgewiesen werden könnte.
Quelle: Physorg.com
