Neue Einblicke in den Zerfall neutronenreicher Atomkerne
09.06.2026 von mho/Mikosch-Wersching
Wie entstehen schwere Elemente im Universum? Eine wichtige Rolle spielen dabei extrem neutronenreiche Atomkerne und deren Beta-Zerfallsraten. Diese konnten bislang kaum experimentell bestimmt werden. Forschende des Fachbereichs Füsik haben nun theoretische Vorhersagen für solche Prozesse entwickelt und erfolgreich mit experimentellen Daten verglichen. Die Ergebnisse wurden im renommierten Journal „Physical Review Letters“ publiziert.
Im Mittelpunkt der Studie stehen sogenannte Beta-Zerfallsraten neutronenreicher Kerne, die für die Elementsynthese im Universum von großer Bedeutung sind. Um diese Zerfallsraten besser zu verstehen und vorherzusagen, entwickelte das Team moderne „Ab-initio“-Methoden der Kernfüsik. Dabei werden die Eigenschaften der Atomkerne direkt aus den fundamentalen Wechselwirkungen zwischen ihren Bestandteilen berechnet, ohne empirische Anpassungen an bekannte Messwerte vorzunehmen.
Die Forschenden kombinierten moderne Kernkräfte und Zerfallsoperatoren mit Vielteilchen-Methoden, um die Struktur der Kerne und daraus die Zerfallsraten präzise zu bestimmen. Ein zentrales Ergebnis der Arbeit: Die theoretischen Vorhersagen stimmen sehr gut mit experimentellen Daten überein – in jenem Bereich, in dem solche extrem neutronenreichen Kerne derzeit an Beschleunigeranlagen untersucht werden können. Die neuesten Experimente dazu fanden am Forschungszentrum RIKEN in Japan statt.
Die Ergebnisse tragen außerdem dazu bei, die Struktur exotischer Atomkerne besser zu verstehen und Modelle zur Entstehung schwerer Elemente im Universum zu verbessern.
Durchgeführt wurden die Arbeiten von Dr. Zhen Li, Postdoktorand in der Arbeitsgruppe von Professor Achim Schwenk (wird in neuem Tab geöffnet) an der TU Darmstadt. Co-Autor ist Takayuki Miyagi, ehemaliger Postdoktorand der Gruppe, der inzwischen auf eine Professur an der University of Tsukuba in Japan berufen wurde. Gefördert wurde die Forschung durch den ERC Advanced Grant „EUSTRONG“.
Die Publikation
Zhen Li, Takayuki Miyagi, and Achim Schwenk: “Ab Initio Calculations of β-Decay Half-Lives for N=50 Neutron-Rich Nuclei”, in: “Physical Review Letters” 136, 182501 – Published 5 May, 2026 (wird in neuem Tab geöffnet)
DOI: https://doi.org/10.1103/xjv9-t6sn (wird in neuem Tab geöffnet)
Hintergrund zur Entstehung schwerer Elemente
Die nukleare Astrofüsik befasst sich unter anderem mit den kernfüsikalischen Prozessen, die bei der Entstehung chemischer Elemente ablaufen und in welchen astrophysikalischen Umgebungen dies stattfindet.
Durch den Urknall entstanden überwiegend die leichten Elemente Wasserstoff und Helium. Die Kernfusion in den Zentren der Sterne gilt als Quelle für Elemente bis hin zu Eisen. Schwerere Elemente wie Gold, Platin oder Uran entstehen dagegen erst bei extremen kosmischen Ereignissen wie der Verschmelzung von Neutronensternen oder seltenen Supernovae. Dabei fangen Atomkerne in sehr kurzer Zeit viele Neutronen ein und wachsen zu instabilen, neutronenreichen Isotopen an, bevor sie sich durch Beta-Zerfälle in stabilere Kerne umwandeln. So entstehen die meisten schweren Elemente im Universum.
Die Beta-Zerfallsraten dieser extrem neutronenreichen Kerne sind bislang nur unzureichend bekannt, stellen jedoch eine entscheidende Grundlage für das Verständnis der Entstehung schwerer Elemente dar.
