In Unsicherheit gelehnt | MSU heute

Unsicherheit gehört zum Leben. Es gibt einfach kein Entkommen, selbst in einer so präzisen Wissenschaft wie der Kernphysik.

Witek Nazarewicz, John A. Hannah Leitender Professor für Physik und leitender Wissenschaftler an der Facility for Rare Isotope Beams an der MSU

Während Wissenschaftler daran arbeiten, Ideen und Experimente zu entwickeln, um diese Unsicherheit zu verringern, sollten sie nicht vergessen, dass die Michigan State University Witold Nazarewicz. Dazu veröffentlichten er und Kollegen in Deutschland und Italien eine Art Memoiren in der Zeitschrift Physische Überprüfungsschreiben.

„Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass experimentelle Messungen und theoretische Modelle von Fehlerabschätzungen begleitet werden müssen“, sagte Nazarewicz, John A. Hannah. Anlage für seltene Isotopenstrahlen, oder FRIB. „Und die Dinge lassen sich besser verstehen, wenn man diese Unsicherheiten berücksichtigt.“

Hier verweist Nazarewicz nach langer Diskussion auf den erfolgreichen Ausgang des mit Spannung erwarteten Lead-Radius-Experiments am Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Virginia. Das Experiment arbeitete daran, die Neutronengröße des Kerns oder Kerns eines Bleiatoms abzuleiten, indem eine kleine Links-Rechts-Asymmetrie in der Elektronenstreuung gemessen wurde.


Dieses Experiment – bekannt als PREX, das sich auf „T. rex“ reimt – betrachtete einen Bleikern mit 82 Protonen und 126 Neutronen, das P in PREX stammt von der Abkürzung für Blei im Periodensystem, Pb.

Wissenschaftler wussten, dass dieses Isotop oder diese Version von Blei eine „Neutronenhaut“ haben würde, weil es mehr Neutronen als Protonen enthält. Das heißt, die Neutronen ragen etwas weiter heraus als die Protonen.

Die frühe theoretische Analyse des PREX-Ergebnisses deutet jedoch darauf hin, dass diese Haut einige Billiardstel Zoll dicker ist, als viele Wissenschaftler erwartet hatten. Und wiederum durch die Arbeit von Theoretikern kann diese winzige Haut astronomische Implikationen haben: Sie könnte mit der Größe von Himmelsobjekten wie Neutronensternen zusammenhängen.

Neutronensterne faszinieren aus vielen Gründen, einschließlich ihrer erstaunlichen Dichte. Sie sind unglaublich massiv – der „typische“ Neutronenstern hat 40 % mehr Masse als unsere Sonne – und unglaublich klein für Sternmaßstäbe. Zwischen East Lansing und Ann Arbor passen etwa fünf Neutronensterne mit der Masse von sieben Sonnen.

Und die unerwartet dicke Neutronenhaut von Blei könnte bedeuten, dass diese Sterne größer sind als erwartet. Nicht dramatisch größer, aber genug, um „einen psychologischen Schub an die Gemeinschaft zu senden“, sagte Jorge Piekarewicz, Professor für theoretische Kernphysik an der Florida State University, in einem Interview mit Wissenschaftsmagazin diesen April.

In dem neues Papier, hat sich Nazarewicz mit den Mitarbeitern Paul-Gerhard Reinhard, einem Professor für Physik an der Universität Erlangen-Nürnberg in Deutschland, und Xavier Roca-Maza, einem außerordentlichen Professor für Physik an der Universität Mailand in Italien, zusammengetan. Das Trio trat einen Schritt zurück und analysierte die PREX-Ergebnisse mit zahlreichen Objektiven, die von verschiedenen theoretischen Modellen bereitgestellt wurden.

Die Forscher fanden heraus, dass eine weitere grundlegende Kerneigenschaft von Blei, die Dipolpolarisierbarkeit genannt wird, nicht reproduziert werden kann, wenn die PREX-Daten durch ein theoretisches Modell erklärt werden. Mit anderen Worten, es gibt kein einziges aktuelles Modell, das die Erkenntnisse über die Eigenschaften des Bleikerns und der PREX-Messung konsistent berücksichtigen kann.

Eine Abbildung verwendet gepunktete Linien, um die Mittelwerte der PREX-Messungen am Jefferson Lab und des Nuclear Physics Research Center der Osaka University darzustellen.  Die grau unterlegten Bereiche zeigen die Unsicherheiten dieser Messungen.  Bei den Modellen markieren Quadrate den Mittelwert und das Oval zeigt Fehlerschätzungen.  Drei Modelle passen in die Unsicherheit des PREX-Experiments, eines in die Unsicherheit des RCNP-Ergebnisses.  Ein Modell, SV-min, fällt in die dunkelgraue Überlappung der beiden experimentellen Messungen.

Diese Grafik zeigt die Ergebnisse von zwei Experimenten mit dem Blei-208-Isotop in Grau zusammen mit vier Modellen, die verwendet wurden, um die Ergebnisse in Rot und Grün zu interpretieren. Die Homecoming-Botschaft lautet hier, dass kein einzelnes Modell beide Experimente reproduzieren kann.

Eine Möglichkeit, diese Diskrepanz zwischen Theorien und dem PREX-Experiment zu betrachten, besteht darin, dass die Modelle defekt oder kaputt sind. Aber Nazarewicz warnte vor dieser Interpretation.

„Was wir sagen, ist ‚Haltet eure Pferde‘“, sagte Nazarewicz. „Wir müssen das PREX-Ergebnis besser verstehen, bevor wir zu weitreichenden Schlussfolgerungen kommen.“

Das heißt, es besteht eine gewisse Unsicherheit.

Bei ihrer neuen Analyse haben Nazarewicz und seine Kollegen genau auf die Unsicherheiten oder „Fehlerbalken“, die Teil des Experiments sind, und die Modelle, die zu ihrer Interpretation verwendet werden, geachtet. Berücksichtigt man diese Fehlerbalken, ergibt sich das Bild, dass das PREX-Ergebnis und die Modelle konsistenter sind, als sie zunächst erscheinen mögen.

„Wir haben derzeit keine zwingenden Beweise dafür, dass Neutronenblätter und Neutronensterne größer sein sollten, als von Standardmodellen von Atomkernen vorhergesagt. Auch wenn dies nicht das aufregendste Ergebnis ist, ändert dies nichts an der Bedeutung des PREX-Ergebnisses. „Es zeigt einfach, dass es noch zu früh ist, definitive Aussagen über die Größe von Neutronenblättern und Sternen zu machen, was weitere Experimente und viele Modellentwicklungen erfordert“, sagte Nazarewicz.

Mit der Online-Veröffentlichung des FRIB im Frühjahr 2022 bietet es auch neue Möglichkeiten, diese Themen zu erkunden. Untersuchungen von Neutronenblättern und Neutronensternen sind in der Tat Schlüsselkomponenten des wissenschaftlichen Portfolios des FRIB.

„Die nächste Generation von Experimenten wird helfen.“ sagte Nazarewicz. „Aber angesichts der aktuellen Datenlage ist es nicht sofort notwendig, unsere Lehrbücher zu überdenken.“

Die Michigan State University (MSU) betreibt die Rare Isotope Beams Facility (FRIB) als Nutzereinrichtung für das US-Energieministerium Office of Science (DOE-SC), das die Mission des DOE-SC Office of Nuclear Physics unterstützt. FRIB wird vom DOE-SC, der MSU und dem Staat Michigan finanziert, wobei der Betrieb der Benutzereinrichtungen vom DOE-SC Office of Nuclear Physics unterstützt wird.

Die US-Energieministerium Office of Science ist der größte Einzelunterstützer der Grundlagenforschung in den physikalischen Wissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet daran, einige der dringendsten Herausforderungen von heute anzugehen. Für weitere Informationen besuchen Sie energy.gov/science.

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