Kernregenbogen

Werden Atomkerne (Projektil) mit hoher Geschwindigkeit auf eine dünne Folie (bezeichnet als Target) geschossen, die eine sehr große Menge an Atomkernen enthält, so fliegen die weitaus meisten Projektile einfach geradeaus weiter (blaue Bahn in der untenstehenden Zeichnung). Große Abstände zwischen den aneinander vorbeifliegenden Kernen, d.h. große Stoßparameter (mit b bezeichnet), führen zu kleinen Streuwinkeln. Ein winziger Bruchteil der einfallenden Kernteilchen wird, wenn der Stoßparameter, d.h. der Kern-Kern-Abstand, klein genug ist, durch die gleichnamige elektrische Ladung der Kerne zu größeren (positiven) Streuwinkeln abgelenkt. Je dichter die Kerne aneinander vorbeifliegen, desto größer wird der Streuwinkel (hellblaue Bahnen).

Bei höheren Energien wird die elektrostatische Abstoßung (Coulombwall) überwunden und das Projektil trifft den Target-Kern. Nun kommt die starke Wechselwirkung, eine Kraft die zwischen den Nukleonen wirkt, ins Spiel. Durch die attraktive (anziehende) Kernkraft werden die Projektile wieder zu kleineren Streuwinkeln hin gezogen (gelbgrün). Bei Experimenten, die mit den Sauerstoffkernen (16O + 16O) bei Einschussenergien von 350 MeV (das entspricht 20% der Lichtgeschwindigkeit) im Helmholtz-Zentrum Berlin durchgeführt wurden, können sich die Kerne sogar durchdringen, sie werden dann zu negativen Streuwinkeln hin abgelenkt (orange, rot).

 

Entstehung des Kernregenbogens: Dargestellt ist nur der Target-Kern, und verschiedene  Flugbahnen des Projektils. Da der Atomkern als Kugel angesehen werden kann, beschreibt der Abstand von der Symmetrieachse b das Verhalten der Projektile. Der Kernregenbogen ist wie der Regenbogen eine kreisringförmige Intensitätsüberhöhung am Winkel.

Die Ablenkung zur negativen Seite wird bei dem Winkel maximal (rot) und bei noch kleineren Werten von b wieder kleiner (gestrichelte Linie). Da ein größerer Bereich von Stoßparametern zum gleichen Winkel führt, erhält dieser Regenbogenwinkel als Sammelpunkt vieler Flugbahnen eine Überhöhung der Streuintensität (sprich Anzahl der nachgewiesenen Teilchen), und ergibt so den Kernregenbogen. Genau wie beim Licht hängt der erreichbare Winkel von der Stärke der auftretenden Wechselwirkung sowie von der Energie oder der Wellenlänge der Projektilkerne ab. Es handelt sich hierbei um Teilchenwellen und somit spielen Projektilmassen auch eine wichtige Rolle (siehe Tabelle Teilchenwellen).

Da im Experiment nicht unterschieden werden kann, auf welcher "Seite" das Projektil am Targetkern vorbeigeflogen ist, erhält man in der gemessenen Intensitätsverteilung immer eine Überlagerung von "positiven" und "negativen" Streuwinkeln. Um die winzigen Anteile, die von negativen Streuwinkeln herrühren, beobachten zu können, muss der Anteil von positiver Streuwinkelseite noch geringer sein! Dies bedarf einer sehr sorgfältigen Auswahl der Experimentparameter.

Die Wechselwirkung der Teilchenwelle bei der Durchdringung des Target-Kerns bewirkt eine Brechung der Teilchenwelle, diese wird durch eine anziehende Kraft (Potenzial) verursacht (Brechungsindex n ca. 2-3. Die starke Durchdringung der beiden Kerne führt beim Zusammenstoß zu einer um den Faktor zwei erhöhten Kerndichte. Man kann mit diesen Stößen auch die Zustandsgleichung kalter Kernmaterie, d.h. das Verhalten der Kernmaterie bei Verdichtung (Kompression) untersuchen.

Winkelverteilungen