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Einem internationalen Forschungsteam der A1-Kollaboration am Mainzer Mikrotron (MAMI) der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist es gelungen, die Bindungsenergie des Hypertritons mit bislang unerreichter Genauigkeit zu bestimmen. Die Messung liefert entscheidende neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen Hyperonen und Nukleonen – einen bislang nur unzureichend verstandenen Aspekt der starken Kernkraft. Die Ergebnisse zeigen, dass das Hypertriton deutlich stärker gebunden ist, als viele frühere Experimente nahelegten. Das renommierte Fachjournal Physical Review Letters hat die Studie kürzlich veröffentlicht.
Internationalem Forschungsteam gelingt bislang genaueste Messung der Bindungsenergie des Hypertritons / Neue Einblicke in die Kräfte, welche die Materie zusammenhalten
Einem internationalen Forschungsteam der A1-Kollaboration am Mainzer Mikrotron (MAMI) der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es gelungen, die Bindungsenergie des Hypertritons mit bislang unerreichter Genauigkeit zu bestimmen. Die Messung liefert entscheidende neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung zwischen Hyperonen und Nukleonen – einen bislang nur unzureichend verstandenen Aspekt der starken Kernkraft. Die Ergebnisse zeigen, dass das Hypertriton deutlich stärker gebunden ist, als viele frühere Experimente nahelegten. Das renommierte Fachjournal Physical Review Letters hat die Studie kürzlich veröffentlicht.
Exotische Kerne als Schlüssel zum Verständnis fundamentaler Kräfte
Das Hypertriton ist der leichteste bekannte Hyperkern. Es handelt sich um ein künstlich erzeugtes Wasserstoffisotop, das neben einem Proton und einem Neutron ein sogenanntes Lambda-Hyperon enthält. Obwohl Hyperkerne nur für wenige hundert Billionstel Sekunden existieren, ermöglichen sie einzigartige Einblicke in die starke Kernkraft – jene fundamentale Kraft, die Atomkerne zusammenhält und für die Struktur der Materie im Universum verantwortlich ist. Das Hypertriton spielt in diesem Zusammenhang eine Schlüsselrolle: Aus nur drei Teilchen bestehend eignet es sich ideal für präzise Tests theoretischer Modelle zur Hyperon-Nukleon-Wechselwirkung.
„Gerade weil das Hypertriton so einfach aufgebaut ist, hängen seine Eigenschaften empfindlich von den zugrunde liegenden Kernkräften ab“, erklärt Prof. Dr. Patrick Achenbach vom Institut für Kernphysik der JGU. „Unsere neue Messung zeigt klar, dass diese Kernkräfte stärker sind als lange angenommen – ein wichtiger Schritt zur Klärung eines jahrelangen Rätsels.“
Die Forschung an leichten Hyperkernen beschäftigt die Physik seit mehr als einem Jahrzehnt, da experimentelle Daten und theoretische Vorhersagen teilweise stark voneinander abweichen.
Mainzer Infrastruktur als Treiber der Hyperkernforschung
Um diese offenen Fragen gezielt zu untersuchen, wurde am MAMI ein umfassendes Hyperkern-Programm durchgeführt. Herzstück ist eine hochauflösende Drei-Spektrometer-Anlage, die um ein speziell für Hyperkernexperimente entwickeltes viertes Spektrometer ergänzt wurde. Diese einzigartige Kombination ermöglicht eine Messgenauigkeit, die international Maßstäbe setzt.
Bereits frühere Experimente am MAMI hatten gezeigt, dass sich die Massen von Hyperwasserstoff-4 und Hyperhelium-4 überraschend stark unterscheiden – ein Hinweis auf bislang unzureichend verstandene Kernkräfte. Für die nun veröffentlichte und im Jahr 2022 durchgeführte Messung des Hypertritons wurde die Apparatur weiter optimiert, unter anderem durch den Einsatz eines neu entwickelten Lithium-Targets, auf das der Elektronenstrahl gelenkt wird. Es weist eine unübliche lange und schmale Form auf, sodass es in Richtung der hochauflösenden Spektrometer nur zu minimalen Energieverlusten der Teilchen kommt. So konnte mit hoher Genauigkeit die Energie des Pions bestimmt werden, das beim Zerfall des Hypertritons entsteht. Diese Messung liefert die entscheidende Grundlage, um die Bindungsenergie des Hyperkerns genau zu bestimmen. Durch den direkten Vergleich mit dem Zerfall des bereits sehr genau vermessenen Hyperwasserstoffs-4 gelang eine außergewöhnlich präzise Kalibrierung des Experiments. Die Datenauswertung erfolgte in enger Zusammenarbeit mit japanischen Partnern, insbesondere im Rahmen der Doktorarbeit von Dr. Ryoko Kino von der Universität Tohoku, die für ihre Arbeiten mehrfach ausgezeichnet wurde.
Einordnung der Ergebnisse und internationale Relevanz
Die neue Studie reiht sich in die Spitzenergebnisse großer internationaler Experimente wie ALICE am CERN (Genf, Schweiz) und STAR am Beschleuniger RHIC (Long Island, USA) ein. Die gemessene Bindungsenergie liegt deutlich über einigen früheren Emulsions- und Schwerionenmessungen, stimmt jedoch gut mit den jüngsten STAR-Daten überein. Dies deutet auf eine stärkere Wechselwirkung zwischen dem Lambda-Hyperon und dem übrigen Kern des Wasserstoffs hin als bislang angenommen.
Die Resultate setzen neue Grenzen für theoretische Modelle der starken Wechselwirkung und beeinflussen auch die Diskussion um exotische Systeme wie einen hypothetischen Lambda-Neutron-Neutron-Kern. Zugleich tragen sie wesentlich zur Auflösung des lang diskutierten „Hypertriton Puzzles“ bei, das aus widersprüchlichen früheren Messungen entstanden war.
Das Rätsel der Hyperwasserstoffe
Das sichtbare Universum besteht überwiegend aus Wasserstoff, dem leichtesten und einfachsten Element des Periodensystems. Die Kerne stabiler Wasserstoffatome bestehen entweder nur aus einem Proton oder aus einem Proton-Neutron-Paar. Bindet man daran statt eines weiteren Neutrons einen exotischen Kernbaustein wie ein Hyperon, entstehen sogenannte Hyperwasserstoffe – faszinierende, kurzlebige Systeme, die bis heute nicht vollständig verstanden sind.
Die einzigartige Infrastruktur an MAMI hat entscheidende Fortschritte im Studium dieser Systeme ermöglicht und liefert neue Impulse für das Verständnis der fundamentalen Kräfte in Atomkernen. Dazu trägt auch die von der Mainzer Arbeitsgruppe betriebene Hyperkern-Datenbank hypernuclei.kph.uni-mainz.de bei, die weltweit als Referenz für den Vergleich von Hyperkernmessungen dient.
Die aktuelle Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Projekts „Präzisionsmessung von leichten Hyperkernmassen“ gefördert.
Prof. Dr. Patrick Achenbach
Institut für Kernphysik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel.: 06131 39 25777
E-Mail: achenbach@uni-mainz.de
https://www.kernphysik.uni-mainz.de/
Ryoko Kino, Sho Nagao, Patrick Achenbach et al., Precise Measurement of the Λ
-Binding-Energy Difference between 3ΛH and 4ΛH via Decay-Pion Spectroscopy at MAMI, Physical Review Letters 136, 152301, 17. April 2026,
DOI: 10.1103/19gd-jqw2
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/19gd-jqw2
https://wwwa1.kph.uni-mainz.de/ – Arbeitsgruppe A1 am Institut für Kernphysik der JGU
https://hypernuclei.kph.uni-mainz.de/ – Hyperkern-Datenbank der Arbeitsgruppe A1
https://www.kernphysik.uni-mainz.de/beschleuniger-mami-experimente/ – Mainzer Mikrotron (MAMI)
Experimenteller Aufbau in der A1-Spektrometerhalle des MAMI: die Drei-Spektrometer-Anlage (SpekA, Sp ...
Copyright: ©: A1-Kollaboration
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, Students
Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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