In het Europese deeltjeslab CERN produceren fysici superexotische atoomkernen. Door die te bestuderen worden nog onbetreden gebieden op de ‘kernkaart’ verkend, waarbij zogenaamde magische kernen als ankerpunten dienen.
Beeld: Het Isolde-laboratorium in het CERN. © CERN
Tot 2018 was de Nobelprijs Natuurkunde nog maar aan twee vrouwen toegekend. Marie Curie kreeg hem in 1903 voor haar onderzoek naar radioactieve elementen. De Duitse Maria Goeppert-Mayer ontving de prijs in 1963. Hoewel zij veel minder bekend is, leverde ze eveneens een cruciale bijdrage aan de kernfysica. En aan ons begrip van de subatomaire structuur van de materie.
Met haar kernschillenmodel stond Goeppert-Mayer aan de basis van de nuclidenkaart, het kernfysische equivalent van de tabel van Mendelejev. In plaats van de chemische elementen geeft deze ‘kernkaart’ de atoomkernen weer. Daarmee is ze veel uitgebreider dan de tabel van Mendelejev: van elk element bestaan er meerdere isotopen met een verschillend aantal neutronen in de kern.
Al in 1949 introduceerde Goeppert-Mayer een concept dat tot op vandaag ongewijzigd is gebleven, namelijk dat van de ‘magische getallen’. Die getallen bepalen of een atoomkern extra stabiel is en dus minder radioactief. Ze kon er zeven identificeren: 2, 8, 20, 28, 50, 82 en 126.
Het spreekt in het voordeel van de Nobelprijswinnaar van 1963 dat die reeks van zeven magische getallen er vandaag nog altijd staat
Als het aantal protonen of neutronen gelijk is aan een van deze getallen, wordt een kern magisch genoemd. Is zowel het protonen- als het neutronenaantal magisch, dan heet een kern ‘dubbelmagisch’. Het schoolvoorbeeld is zeer stabiel helium-4, dat twee protonen en twee neutronen bezit. Een exotische, dubbelmagische kern is nikkel-78, met 50 protonen en 28 neutronen. Nikkel-78 is daardoor ietsje stabieler dan de kernen in de directe omgeving op de kernkaart.
‘Ons begrip van de atoomkern is voor een groot stuk nog altijd gestoeld op die magische kernen’, zegt kernfysicus Thomas Cocolios (KU Leuven). ‘In magische of dubbelmagische kernen passen de protonen en neutronen zo goed in elkaar dat de kernen extra stabiel worden, waardoor je ze als ankerpunten kunt zien in de uitgestrekte oceaan van de kernkaart.’ Het spreekt in het voordeel van de Nobelprijswinnaar van 1963 dat die reeks van zeven magische getallen er vandaag nog altijd staat. Dat terwijl de kern- en zeker de deeltjesfysica tijdens de tweede helft van de vorige eeuw een stormachtige ontwikkeling heeft gekend.
Gezocht: betere theorie
De laatste jaren staan de magische getallen opnieuw sterk in de belangstelling. Dat komt omdat fysici er steeds beter in slagen exotische, extreem kortlevende atoomkernen te produceren. Dat gebeurt onder meer in het CERN in Genève, en wel in een van de oudste nog werkende installaties van het Europese deeltjeslab: het Isolde-laboratorium.
Hier worden sinds de jaren 1960 bundels instabiele deeltjes gecreëerd. De geproduceerde partikels worden geïoniseerd en versneld, om vervolgens volgens hun eigenschappen gesorteerd en een tijdlang opgesloten te worden in een ‘val’. Daarna worden de pakketjes atoomkernen langs experimentele opstellingen gestuurd, zodat onderzoekers de eigenschappen van zeer ongewone combinaties van protonen en neutronen in detail kunnen bestuderen.
‘De beste kernmodellen blijken niet te werken bij dit soort exotische kernen’ kernfysicus Thomas Cocolios (KU Leuven)
Vorig jaar konden fysici van de KU Leuven verbonden aan Isolde aantonen dat de magische getallen ook bij superexotische atoomkernen overeind blijven – bijvoorbeeld bij nikkel-78. En recent deden ze iets soortgelijks voor het volledige concept van de magische getallen. Een internationaal team van fysici, waarvan ook Thomas Cocolios deel uitmaakte, veegde eerdere claims van tafel dat er een nieuw, bijkomend magisch getal zou bestaan, namelijk 32.
De voorbije twee decennia was die claim verschillende keren opgedoken. Dat gebeurde onder meer in experimenten waarbij de bindingsenergie van welbepaalde kernen plots toenam bij 32 neutronen – een hogere bindingsenergie duidt op een hogere stabiliteit. Het nieuwe magische getal 32 was ‘ontdekt’ bij exotische calciumkernen.
Maar in het Isolde-lab konden Cocolios en zijn collega’s geen aanwijzing terugvinden dat calciumkernen met 32 neutronen ook kleiner zijn in omvang. Nochtans is dat een essentieel kenmerk van een magische kern.
‘Het frappante is dat de eerdere experimenten er niet naast zaten’, vertelt Cocolios. ‘Wij hebben enkel de claims weerlegd die op basis van deze experimenten werden gemaakt. Verder blijven de resultaten overeind.’ Het probleem situeert zich dus in de fundamentele theorie van de atoomkern. ‘De beste kernmodellen blijken niet te werken bij dit soort exotische kernen.’
Het beperkte begrip van de atoomkern komt voort uit de complexe natuurkundige beschrijving van de zogenaamde sterke kernkracht, die de protonen en neutronen in de kern samenhoudt. ‘De sterke kernkracht (een van de vier fundamentele natuurkrachten, red.) werkt niet rechtstreeks in op de kerndeeltjes, maar op het lagere niveau van de quarks waaruit de protonen en neutronen zijn samengesteld.’
Theoretische fysici moeten nu aan de bak om een betere theorie van de atoomkern op te stellen. Intussen blijft de kernschillentheorie van Maria Goeppert-Mayer, 72 jaar nadat ze haar formuleerde, verbazingwekkend goed overeind.
