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Links ist die Compton-Kamera zu sehen, die ursprünglich für die Untersuchung des Universums in kosmischen Maßstäben entwickelt wurde.(Bildnachweis: Robert Lea/RIKEN)

Wissenschaftler haben ein Instrument, das ursprünglich für die Untersuchung riesiger Himmelsobjekte im Kosmos entwickelt wurde, umfunktioniert, um die Welt in einem unendlich kleineren Maßstab zu untersuchen. Mit diesem Instrument ist es ihnen gelungen, das Herz des Atoms zu erforschen.

Das Team wollte die Veränderungen auf der Quantenskala verstehen, die in instabilen Atomen auftreten, und erkannte, dass es ein hochmodernes Gammastrahlenpolarimeter gibt, das sie anzapfen konnten. Dieses Gerät, eine so genannte Compton-Kamera, kann die Polarisation hochenergetischer Lichtwellen messen. Mit anderen Worten, es kann feststellen, in welche Richtung dieses hochenergetische Licht gerichtet ist.

Das Problem ist nur, dass dieses Instrument eigentlich für die Weltraumastronomie und nicht für atomare Untersuchungen gebaut wurde. Tatsächlich haben die Wissenschaftler es konstruiert, weil sie es auf dem Hitomi-Satelliten platzieren wollten, um Beobachtungen hochenergetischer kosmischer Prozesse zu machen. Doch nun hat die Kamera ihre Vielseitigkeit unter Beweis gestellt. Indem sie die Polarisation von Gammastrahlen aufnahm, die von Atomkernen und nicht von weit entfernten galaktischen Objekten ausgesandt wurden, gelang es ihr, die innere Struktur des Atomkerns sowie die Veränderungen, denen solche Kerne möglicherweise unterliegen, aufzudecken.

Compton-Chemie 101

Compton-Kameras werden verwendet, um die Richtung und Energie von Gammastrahlen mithilfe eines Phänomens namens „Compton-Streuung“ zu bestimmen.

Compton-Streuung tritt auf, wenn ein hochenergetisches Lichtteilchen, ein „Photon“, an einem geladenen Teilchen, in der Regel einem Elektron, abprallt. Diese Wechselwirkung zwingt die Photonen, die auf die Elektronen treffen, zur „Streuung“, d. h. sie übertragen einen Teil ihrer Energie und ihres Impulses auf die Teilchen, die sie gerade getroffen haben. Im Gegenzug können diese Elektronen zurückprallen und das Atom, an dem sie vorher befestigt waren, quasi abspringen lassen. Dieser Prozess kann dazu beitragen, etwas über das betreffende Atom herauszufinden.

„Das Forscherteam hat gezeigt, dass diese Compton-Kamera als effektives Polarimeter für die Kernspektroskopie dient und Einblicke in die Kernstruktur ermöglicht“, so Tadayuki Takahashi, Forschungsleiter und Wissenschaftler am Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, gegenüber kosmischeweiten.de. „Ursprünglich für Weltraumbeobachtungen entwickelt, hat sich dieses Instrument nun auch als Werkzeug für die Beantwortung komplexer wissenschaftlicher Fragen in anderen Bereichen bewährt.“

Das Herz eines Atoms

Man kann sich die Atome als aus „Schalen“ zusammengesetzt vorstellen. In jeder Schale schwirren unterschiedlich viele negativ geladene Elektronen herum; die äußerste Schale wird als Valenzschale bezeichnet, und die Elektronen innerhalb der Valenzschale heißen Valenzelektronen. Diese Atomhüllen umgeben einen zentralen Kern, der aus positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen besteht.

Die Anzahl der Protonen in einem Atomkern bestimmt, welches Element dieses Atom darstellt.

Wasserstoff ist beispielsweise das leichteste Element des Universums und hat immer nur ein Proton in seinem Atomkern. Am anderen Ende des Periodensystems steht Uran, eines der schwersten natürlichen Elemente, das immer 92 Protonen in seinem Kern hat. Die Anzahl der Neutronen in einem Atomkern bestimmt nicht, um welches Element es sich handelt, sie kann also variieren. So kann zum Beispiel Wasserstoff keine Neutronen, ein Neutron im Falle von Deuterium oder zwei Neutronen im Falle von Tritium haben. Diese Atome mit unterschiedlichem Gewicht werden jedoch als „Isotope“ bezeichnet. Einige Isotope sind stabil, andere nicht.

Während in der Natur 270 stabile Atomkerne bekannt sind, steigt die Zahl der bekannten Isotope der Elemente auf bis zu 3.000 an, wenn man die instabilen Atomkerne mit einbezieht.

Interessanterweise haben Wissenschaftler in letzter Zeit auch Phänomene im Zusammenhang mit instabilen Atomkernen beobachtet, die bei stabilen Atomkernen nicht vorkommen. Dazu gehören Anomalien in den Elektronenenergieniveaus sowie das Verschwinden und Auftauchen der so genannten „magischen Zahlen“. Die magischen Zahlen beziehen sich auf die Anzahl der Elektronen, die nötig wären, um die Schalen der Energieniveaus um einen Atomkern zu füllen. Üblicherweise sind dies die Zahlen 2, 8, 20, 28, 50, 82 und 126.

Bislang waren die konventionellen Methoden jedoch unzureichend, um die mit diesen Phänomenen verbundenen Veränderungen der Kernstruktur zu untersuchen. Dies ist auf die Schwierigkeit zurückzuführen, die Empfindlichkeit und die Nachweisleistung von Instrumenten zur Analyse der Eigenschaften der von den Atomen durchgeführten Übergänge in Einklang zu bringen.

Hier liegt der wichtige Teil für die Untersuchung des Teams.

Ein instabiler Atomkern wird versuchen, Stabilität zu erreichen, indem er ein Proton oder ein Neutron ausstößt. Dies wird als radioaktiver Zerfall bezeichnet und ist ein Prozess, bei dem Energie in Form von Photonen vom Atom weggetragen wird. Gammastrahlen sind eine Art von Photonen – und die Compton-Kamera kann diese Gammastrahlen aufspüren! Vielleicht kann das Verständnis des Übergangs zwischen Instabilität und Stabilität helfen, einige der seltsamen atomaren Phänomene zu entschlüsseln, die Wissenschaftler beobachtet haben.

Die CdTe-Compton-Kamera (links) und die 20 Schichten im Inneren (rechts) (Bildnachweis: RIKEN)

Die Forscher waren also der Meinung, dass die Compton-Kamera, die einen so genannten Cadmiumtellurid (CdTe)-Halbleiter-Bildsensor enthält, ideal für die Messung der Polarisation von Gammastrahlen aus instabilen Kernen sein könnte. Der Grund dafür ist wiederum, dass ein solcher Sensor eine hohe Detektionseffizienz und präzise Genauigkeit bei der Bestimmung der Position von Gammastrahlen bietet (auch wenn er ursprünglich für Gammastrahlensignale aus dem Weltraum gedacht war).

Die Polarisation der Photonen von geladenen Teilchen verwandelt unpolarisiertes Licht in polarisiertes Licht, wobei sich die Ausrichtung der Polarisation aus dem Streuwinkel ergibt. Die Compton-Kamera kann diesen Streuwinkel und die Polarisation dieser Gammastrahlen genau messen, was auf Eigenschaften der Teilchen im Atom hinweist, z. B. auf den Wert der quantenmechanischen Eigenschaften „Spin“ und „Parität“.

Mit Hilfe von Beschleunigerexperimenten am RIKEN-Forschungsinstitut führten die Wissenschaftler eine Reihe von Tests zur Kernspektroskopie durch, bei denen ein Film aus Eisenkernen mit einem Protonenstrahl beschossen wurde. Dies führte dazu, dass die Elektronen in dem dünnen Eisenfilm einen angeregten Zustand erreichten und Gammastrahlen aussandten, als sie in ihren Grundzustand zurückkehrten. Das Team kontrollierte sowohl die Position als auch die Intensität dieser Emissionen künstlich. Dies ermöglichte eine detaillierte Analyse der Streuereignisse und die Durchführung einer hochempfindlichen Polarisationsmessung, um die Fähigkeiten der Compton-Kamera zu testen.

„Die mehrschichtige CdTe-Compton-Kamera verfügt über mehrere Eigenschaften, die sie für diese Forschung gut geeignet machen. Erstens ist die Detektionseffizienz von CdTe“, sagte Takahashi. „Gammastrahlen, die von Atomkernen emittiert werden, haben in der Regel Energien in der Größenordnung von Mega-Elektronenvolt (MeV), bei denen die Nachweisleistung von Gammastrahlen-Polarimetern eher gering ist. Die 20 CdTe-Schichten erhöhen jedoch die Effizienz beim Nachweis dieser Gammastrahlen erheblich.“

Der Wissenschaftler des Kavli-Instituts für Physik und Mathematik des Universums fügte hinzu, dass der von seiner Gruppe entwickelte CdTe-Sensor auch eine hohe Energieauflösung für Gammastrahlen im Sub-MeV-Bereich erreicht.

„Schließlich wird eine Positionsauflösung von einigen Millimetern innerhalb der effektiven Fläche des Detektors erreicht, die es ermöglicht, detaillierte Compton-Streuungsmuster zu ’sehen'“, so Takahashi weiter. „Diese Muster spiegeln die Eigenschaften der linearen Polarisation von Licht, einschließlich Gammastrahlen, wider.“

Ein Diagramm, das den vom Team verwendeten Versuchsaufbau zeigt. (Bildnachweis: RIKEN)

Die emittierten Gammastrahlen wurden gemessen, wobei sich eine Spitzenstruktur ergab, und das Team konnte den Winkel bestimmen, in dem die Photonen gestreut wurden. Das Team ging davon aus, dass seine Ergebnisse für die Erforschung der Struktur seltener radioaktiver Kerne von entscheidender Bedeutung sein könnten, aber selbst der leitende Forscher war überrascht, wie erfolgreich dieser Test war.

„Die Forschungsgruppe, die sich aus Experten für astronomische Beobachtung und Kernphysik zusammensetzt, hatte bis zu einem gewissen Grad erwartet, dass die Gammastrahlenpolarimetrie für Experimente zur Gammastrahlenspektroskopie im Kernbereich durchführbar sein würde“, sagte Takahashi. „Aber die Leistung und die Ergebnisse übertrafen die Erwartungen.“

Diese Experimente könnten die Spitze des Eisbergs sein, wenn es um den Einsatz von Weltrauminstrumenten zur Untersuchung von Atomkernen geht.

„Es gibt verschiedene Arten von Compton-Kameras in der astronomischen Beobachtung, und sie könnten in ähnlicher Weise verwendet werden, um die lineare Polarisation von Photonen zu messen“, schloss Takahashi.

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift Scientific Reports veröffentlicht.