Wissenschaftler haben endlich Sauerstoff-28 nachgewiesen. Seine Instabilität hat sie überrascht.

Eine "magische Zahl" der Physik ist vielleicht doch nicht so magisch.

Mithilfe eines leistungsstarken Teilchenbeschleunigers haben Forscher zum ersten Mal eine schwer fassbare Variante von Sauerstoff entdeckt. Das Isotop Sauerstoff-28 sollte aufgrund seiner acht Protonen und 20 Neutronen stabil sein - "magische" Zahlen, die mit zusätzlicher Stabilität in Atomkernen verbunden sind. Aber die ersten Beobachtungen von Sauerstoff-28, die in der Ausgabe vom 31. August in Nature berichtet wurden, zeigen, dass er vergänglicher ist als beständig: Seine Kerne zerfallen nach etwa einem Zeptosekunde (oder 0,000000000000000000001 Sekunden).

Die Entdeckung "war eine große Überraschung", sagt der Physiker Rituparna Kanungo von der Saint Mary's University in Halifax (Kanada), der nicht an der Studie beteiligt war. "Wir haben mehrere hochmoderne Theorien, die versucht haben vorherzusagen und zu erklären, wie Sauerstoff-28 aussehen sollte", sagt Kanungo, aber "keine von ihnen ist in der Lage, [die Beobachtungen] zu erklären".

Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, von denen angenommen wird, dass sie ihre eigenen "Schalen" besetzen - diskrete Energieniveaus, die durch große Energieniveaulücken voneinander getrennt sind. Atomkerne mit vollen äußeren Schalen sind besonders stark gebunden und damit sehr stabil. Die Schalen füllen sich, wenn sie zwei, acht, 20, 28, 50, 82 und 126 subatomare Teilchen erreichen (SN: 9.10.13).

Atome eines bestimmten Elements haben eine festgelegte Anzahl von Protonen, können jedoch unterschiedliche Neutronenzahlen haben. Zum Beispiel enthält die Luft, die wir atmen, das Isotop Sauerstoff-16, das acht Protonen und acht Neutronen hat. Dies macht es "doppelt magisch" und außerordentlich stabil. Von Sauerstoff-28, der doppelt magisch mit seinen 20 Neutronen und acht Protonen ist, wurde erwartet, dass er ebenfalls stabil ist.

Die Entdeckung des Isotops erforderte eine Kombination aus roher Gewalt und experimenteller Eleganz. Der Physiker Yosuke Kondo vom Tokyo Institute of Technology und seine Kollegen verwendeten einen Teilchenbeschleuniger, um Calcium-48-Atome gegen ein Beryllium-Target zu stoßen. Dadurch wurden die Calcium-48-Atome in leichtere Isotope zerlegt, einschließlich Fluor-29. Durch das Werfen von Fluor-29 gegen ein flüssiges Wasserstoff-Target wurde ein einzelnes Proton abgestoßen, wodurch Sauerstoff-28 entstand.

Entgegen den Erwartungen zerfiel der Sauerstoff-28 fast sofort. Wie ein Eimer, der mit zu vielen Bällen gefüllt ist, überquoll sein überfüllter Kern und ließ vier Neutronen ab, wodurch Sauerstoff-24 zurückblieb. Durch gleichzeitige Erkennung dieser Zerfallsprodukte zeigten die Wissenschaftler, dass sie Sauerstoff-28 hergestellt hatten.

Die überraschende Instabilität von Sauerstoff-28 deutet darauf hin, dass den aktuellen Theorien über die starke Kernkraft, die Protonen und Neutronen in Atomkernen bindet, etwas fehlt. "Ich denke, das wird wahrscheinlich zu vielen theoretischen Entwicklungen führen", sagt Kanungo. "Das weist erneut auf die sehr anspruchsvolle Aufgabe hin, die stärkste Kraft der Natur vollständig zu verstehen."

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