Experimente mit Kaonen und Helium-3 haben erstmals die Existenz eines exotischen Kerns bestehend aus zwei Protonen und einem gebundenen Kaon demonstriert. Die Entdeckung könnte neue Einblicke in den Ursprung der Masse im Universum nach dem Urknall geben. Die Experimente wurden von Wissenschaftlern der internationalen J-PARC E15 Collaboration unter Leitung von Forschern des RIKEN Cluster for Pioneering Research (CPR) durchgeführt.
Kaonen gehören zu den Mesonen, einer Gruppe extrem kurzlebiger Teilchen, die die starke Wechselwirkung vermitteln, welche Protonen und Neutronen innerhalb der Atomkerne bindet. Mesonen bestehen aus einem Antiquark und einem Quark. Die Existenz von Mesonen wurde erstmals im Jahr 1935 von dem japanischen Physiker Hideki Yukawa vorgeschlagen. Nachdem sie tatsächlich entdeckt wurden, wurde er der erste Japaner, der für seine Arbeit einen Nobelpreis erhielt.
K-Mesonen wurden kürzlich zu einem wichtigen Forschungsgebiet, weil sie normalerweise als „virtuelle Teilchen“ existieren, die im Atomkern erscheinen und verschwinden. Aber weil es einen kurze Zeitspanne dauert, bis das Quark und das Antiquark sich gegenseitig auslöschen, könnten sie in einem Atomkern zu real gebundenen Teilchen werden und für einen kurzen Moment ein Teil eines exotischen Atomkerns sein, gemeinsam mit den typischen Neutronen und Protonen. Zu verstehen, wie dies geschieht, könnte neue Einblicke in Rätsel wie den Ursprung der Masse und das Quantenphänomen des Confinement geben. Allerdings wurde dieser Zustand in der echten Welt bisher nie beobachtet.
Um das zu erforschen, begann die Gruppe mit Experimenten, in deren Rahmen ein Kaon an einen Atomkern gebunden wird. Zur Durchführung des Experiments entschieden sich die Forscher für ein Ziel aus Helium-3 – einen Atomkern, der aus zwei Protonen und einem einzelnen Neutron besteht. Durch das Herausschlagen des Neutrons aus dem Helium-3-Ziel konnten sie die Energie des Kaons deutlich reduzieren. Sie nutzen den Rückstoß des Herausschlagens und ersetzten das Neutron durch ein Kaon. Damit entstand ein eng gebundener Atomkern aus zwei Protonen und einem einzelnen Kaon.
„Das Wichtige an dieser Forschungsarbeit ist, dass wir gezeigt haben, dass Mesonen in Kernmaterie als reales Teilchen existieren können – wie Zucker, der nicht in Wasser gelöst ist. Das eröffnet eine völlig neue Möglichkeit, um Atomkerne zu betrachten und zu verstehen. Solch exotische Atomkerne zu verstehen, wird uns Einblicke in den Ursprung der Masse von Atomkernen geben und darin, wie sich Materie in den Kernen von Neutronensternen zusammenfindet. Wir möchten die Experimente mit schwereren Atomkernen fortsetzen, um unser Wissen über das Bindungsverhalten von Kaonen zu vertiefen“, sagte der Teamleiter Masahiko Iwasaki.
Die aktuelle Forschungsarbeit erschien in den Physics Letters B und wurde von einer internationalen Collaboration durchgeführt, an der Wissenschaftler des RIKEN CPR zusammen mit KEK, JAEA, J-PARC, der Osaka University, der Tohoku University, INFN (Italien), SMI (Österreich) und anderen beteiligt sind.
(THK)
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