HIAFs erstes Physikergebnis: Zehn Hafnium-153-Ionen entdeckt

Warum Hafnium-153 wichtig ist

Hafnium-153 gehört zu den schweren, neutronenarmen Atomkernen. In diesem Bereich wird das Gleichgewicht zwischen Protonen und Neutronen zunehmend instabil. Die Existenz und die gemessene Masse des Isotops liefern daher einen neuen Datenpunkt für Modelle der Kernmassen und für die Untersuchung der Kernstruktur nahe der Stabilitätsgrenze.

Die Messung deutet darauf hin, dass ^153Hf gebunden oder nur schwach gebunden ist. Damit stimmt das Ergebnis mit den Vorhersagen mehrerer Kernmassenmodelle überein. Das beantwortet zwar nicht alle Fragen zu diesem Isotop, bietet aber einen wichtigen experimentellen Test für Theorien, mit denen sich schwer beobachtbare oder bislang unbekannte Atomkerne beschreiben lassen.

Wie die zehn Ionen entstanden

Für das Experiment beschleunigte das Team einen Strahl aus Bismut-209 im Booster-Ring von HIAF auf 836,66 MeV pro Nukleon. Der Strahl traf auf ein Target aus Graphit. Bei diesen sogenannten Fragmentationsreaktionen zerbrachen die Bismutkerne teilweise; dabei entstand ein Gemisch aus zahlreichen radioaktiven Nukliden.

Die eigentliche Herausforderung bestand anschließend darin, Hafnium-153 aus diesem Gemisch herauszufiltern und sicher zu erkennen. Die Hochenergie-Strahlführung HIRIBL trennte und transportierte die Reaktionsprodukte zum Speicherring und Spektrometerring SRing. Flugzeitdetektoren halfen bei der schnellen Unterscheidung der Kandidaten. Mit der isochronen Massenspektrometrie bestimmten die Forschenden anschließend die Masse so präzise, dass sich die Hafnium-153-Ionen identifizieren ließen. Insgesamt wurden zehn solcher Ionen registriert.

Hafnium-153 entstand dabei mit einem Wirkungsquerschnitt im Pikobarn-Bereich – also mit außergewöhnlich geringer Wahrscheinlichkeit. Das Isotop musste zwischen sehr viel häufigeren Reaktionsprodukten erkannt werden. Erst das Zusammenspiel aus intensivem Primärstrahl, hochauflösender Fragmenttrennung und massenspektrometrischer Einzelionenmessung machte den Nachweis möglich.

Unabhängiger Nachweis bei RIKEN

Nahezu zeitgleich beobachteten Forschende an der japanischen Radioactive Isotope Beam Factory (RIBF) des Forschungszentrums RIKEN ebenfalls ^153Hf. Die voneinander unabhängigen Messungen stützen sich gegenseitig und verringern die Unsicherheit, die bei einem Nachweis aus nur wenigen registrierten Ionen grundsätzlich eine Rolle spielt.

Gerade bei Atomkernen, die nur mit extrem niedriger Rate entstehen, ist eine unabhängige Beobachtung besonders wertvoll. Die Übereinstimmung stärkt deshalb nicht nur die Identifizierung von Hafnium-153, sondern auch seine Bedeutung für den Vergleich zwischen Experiment und Kernmodell.

Was das Ergebnis über HIAF zeigt

Die Entdeckung ist kein Abschluss, sondern ein früher Leistungstest der neuen Anlage. Sie zeigt, dass Beschleuniger, radioaktive Strahlführung, Fragmentseparator und Präzisionsmessung bereits gemeinsam eingesetzt werden können, um seltene und kurzlebige Atomkerne zu untersuchen.

Mit steigender Strahlintensität und besserer experimenteller Effizienz soll sich die Reichweite von HIAF voraussichtlich um etwa zwei Größenordnungen erhöhen. Dadurch könnten weitere Isotope entdeckt, Kernmassenmodelle anspruchsvoller geprüft und die Eigenschaften von Atomkernen unter immer stärkerem Ungleichgewicht zwischen Protonen und Neutronen vermessen werden.

Hafnium-153 ist deshalb aus zwei Gründen bedeutsam: Es handelt sich um einen außergewöhnlich schwer herzustellenden und zu identifizierenden Atomkern – und zugleich um den praktischen Beleg, dass HIAF bereit ist, die bislang wenig erforschten Grenzen der Nuklidkarte auszuloten.