Simulation liefert Bilder aus dem Kohlenstoff-Kern

Die Neutronen und Protonen liegen im Kohlenstoffkern als drei Vierercluster vor. Diese können je nach Energiezustand des Kerns zu einem gleichseitigen Dreieck (links) oder wie ein leicht gebeugter Arm (rechts) angeordnet sein.
Abbildung: Prof. Serdar Elhatisari/Universität Bonn

Wie sieht es im Innern eines Kohlenstoff-Atomkerns aus? Eine neue Studie des Forschungszentrums Jülich, der Michigan State University (USA) und der Universität Bonn gibt darauf erstmals eine umfassende Antwort.

Die Forschenden haben darin sämtliche bekannten Energiezustände des Kerns simuliert. Darunter ist auch der rätselhafte Hoyle-Zustand. Gäbe es ihn nicht, würden Kohlenstoff und Sauerstoff im Weltall nur in winzigen Spuren vorkommen. Letztlich verdanken wir ihm damit auch unsere eigene Existenz. Die Studie ist jetzt in der Zeitschrift Nature Communications erschienen.

Der Kern eines Kohlenstoff-Atoms besteht normalerweise aus sechs Protonen und sechs Neutronen. Doch wie sind diese genau angeordnet? Und wie ändert sich ihre Konfiguration, wenn man den Kern mit energiereicher Strahlung beschießt? Seit Jahrzehnten sucht die Wissenschaft nach Antworten auf diese Fragen. Denn sie könnten nicht zuletzt den Schlüssel zu einem Rätsel liefern, der Physikerinnen und Physiker schon lange umtreibt: Warum findet sich im All überhaupt eine nennenswerte Menge Kohlenstoff – also eines Atoms, ohne das es auf der Erde kein Leben gäbe?

Kurz nach dem Urknall gab es nämlich nur Wasserstoff und Helium. Der Wasserstoff-Kern besteht aus einem einzigen Proton, der von Helium aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Alle schwereren Elemente wurden erst viele Milliarden Jahre später von alternden Sternen erbrütet. Bei immensem Druck und extrem hohen Temperaturen verschmolzen in ihnen Helium- zu Kohlenstoff-Kernen. Dazu müssen drei Helium-Kerne miteinander fusionieren. „Doch dass das passiert, ist eigentlich sehr unwahrscheinlich“, erklärt Prof. Dr. Ulf Meißner vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn und vom Institute for Advanced Simulation des Forschungszentrums Jülich. Grund: Die Helium-Kerne haben zusammengenommen eine viel höhere Energie als ein Kohlenstoff-Kern. Das sorgt aber nicht etwa dafür, dass sie besonders bereitwillig fusionieren – im Gegenteil: Es ist, als wollten drei Personen auf ein Karussell aufspringen. Da sie aber viel schneller laufen, als sich das Karussell dreht, gelingt ihnen das nicht.

Simulation am Supercomputer

Schon in den 1950er Jahren postulierte der britische Astronom Fred Hoyle daher, dass sich die drei Helium-Kerne zunächst zu einer Art Übergangs-Zustand zusammenfinden. Dieser „Hoyle-Zustand“ hat eine ganz ähnliche Energie wie die Helium-Kerne. Um im Bild zu bleiben: Es ist eine schneller drehende Variante des Karussells, auf die die drei Passagiere daher problemlos aufspringen können. Wenn das geschehen ist, bremst das Karussell auf seine normale Geschwindigkeit ab. „Nur auf dem Umweg über den Hoyle-Zustand können Sterne überhaupt in nennenswerter Menge Kohlenstoff erbrüten“, sagt Meißner, der auch Mitglied in den Transdisziplinären Forschungsbereichen „Modelling“ und „Matter“ der Universität Bonn ist.

Vor gut zehn Jahren ist es ihm zusammen mit Kolleginnen und Kollegen aus den USA, vom Forschungszentrum Jülich und von der Ruhr-Universität Bochum zum ersten Mal gelungen, diesen Hoyle-Zustand zu simulieren. „Wir hatten damals bereits eine Vorstellung davon, wie die Protonen und Neutronen des Kohlenstoff-Kerns in diesem Zustand angeordnet sind“, erklärt er. „Wir konnten aber nicht sicher nachweisen, dass diese Vorstellung auch zutrifft.“ Mit Hilfe einer weiterentwickelten Methode ist das den Forschenden nun gelungen. Diese basiert im Grunde auf einer Freiheitsberaubung: In der Realität können sich die Protonen und Neutronen – die Nukleonen – nämlich an beliebigen Stellen im Raum aufhalten. Für ihre Berechnungen schränkte das Team diese Freiheit jedoch ein: „Wir ordneten unsere Kernteilchen auf den Knotenpunkten eines dreidimensionalen Gitters an“, erläutert Meißner. „Wir erlaubten ihnen also nur bestimmte, streng definierte Positionen.“

Rechenzeit: fünf Millionen Prozessor-Stunden

Dank dieser Einschränkung war es möglich, die Bewegung der Nukleonen zu berechnen. Da die Kernteilchen sich je nach Abstand zueinander gegenseitig unterschiedlich stark beeinflussen, ist diese Aufgabe sehr komplex. Die Forschenden ließen ihre Simulation zudem mehrere Millionen Mal mit leicht veränderten Startbedingungen laufen. Sie konnten so sehen, wo sich die Protonen und Neutronen mit der größten Wahrscheinlichkeit aufhielten. „Diese Kalkulationen haben wir für sämtliche bekannten Energiezustände des Kohlenstoff-Kerns durchgeführt“, sagt Meißner. Die Berechnungen erfolgten am Supercomputer JEWELS des Forschungszentrums Jülich. Insgesamt erforderten sie rund fünf Millionen Prozessor-Stunden, wobei viele Tausend Prozessoren gleichzeitig arbeiteten.

Die Ergebnisse liefern gewissermaßen Bilder aus dem Kohlenstoff-Kern. Sie belegen unter anderem, dass die Kernteilchen nicht unabhängig voneinander vorliegen. „Stattdessen sind sie zu Gruppen aus je zwei Neutronen und zwei Protonen geclustert“, erklärt der Physiker. Im Grunde sind die drei Helium-Kerne also noch nach ihrer Verschmelzung zum Kohlenstoff-Kern nachweisbar. Je nach Energiezustand liegen sie in unterschiedlichen räumlichen Formationen vor – entweder angeordnet zu einem gleichschenkligen Dreieck oder wie ein leicht gebeugter Arm, bei dem Schulter, Ellbogengelenk und Handgelenk jeweils von einem Cluster besetzt sind.

Die Studie erlaubt es Forschenden nicht nur, die Physik des Kohlenstoff-Kerns besser zu verstehen. Meißner: „Die von uns entwickelten Methoden lassen sich auch problemlos zur Simulation anderer Kerne nutzen und werden sicher zu ganz neuen Einblicken führen.“

Beteiligte Institutionen und Förderung:

An der Studie waren das Forschungszentrum Jülich, die Michigan State University (USA), die China Academy of Engineering Physics sowie die Universität Bonn beteiligt. Die Arbeiten wurden durch Mittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der National Natural Science Foundation of China, der chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS), der Volkswagen-Stiftung, des European Research Council (ERC), des US-Department of Energy, der Nuclear Computational Low-Energy Initiative (NUCLEI) sowie durch das Gauss-Centre for Supercomputing e.V. ermöglicht.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Ulf-G. Meißner
Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik, Universität Bonn
Institut für Kernphysik und Institute for Advanced Simulation, Forschungszentrum Jülich
Tel. 0228/73-2365
E-Mail: meissner@hiskp.uni-bonn.de

Originalpublikation:

Shihang Shen, Serdar Elhatisari, Timo A. Lähde, Dean Lee, Bing-Nan Lu & Ulf-G. Meißner: Emergent geometry and duality in the carbon nucleus; Nature Communications; https://www.nature.com/articles/s41467-023-38391-y

http://www.uni-bonn.de/

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