BONN / LONDON (IT BOLTWISE) – Forschende haben einen bedeutenden Durchbruch in der Untersuchung der Struktur von Kohlenstoff-Atomen erzielt. Mithilfe von Supercomputern konnten sie den sogenannten Hoyle-Zustand simulieren, der entscheidend für die Entstehung von Kohlenstoff in Sternen ist. Diese Erkenntnisse könnten helfen, das Rätsel zu lösen, warum Kohlenstoff im Universum in nennenswerter Menge vorkommt.
Die Struktur von Kohlenstoff-Atomen ist seit Jahrzehnten ein faszinierendes Forschungsgebiet in der Physik. Der Kern eines Kohlenstoff-Atoms besteht typischerweise aus sechs Protonen und sechs Neutronen. Doch wie genau diese Teilchen angeordnet sind und wie sich ihre Konfiguration unter dem Einfluss energiereicher Strahlung verändert, ist eine Frage, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit beschäftigt. Diese Fragen sind nicht nur von akademischem Interesse, sondern könnten auch erklären, warum Kohlenstoff, ein essentielles Element für das Leben auf der Erde, im Universum in nennenswerter Menge vorhanden ist.
Nach dem Urknall existierten im Universum zunächst nur die leichtesten Elemente, Wasserstoff und Helium. Schwerere Elemente wie Kohlenstoff entstanden erst Milliarden Jahre später in den Kernen von Sternen. Hierbei verschmelzen unter extremen Bedingungen drei Helium-Kerne zu einem Kohlenstoff-Kern. Dieser Prozess ist jedoch äußerst unwahrscheinlich, da die Helium-Kerne eine höhere Energie besitzen als der resultierende Kohlenstoff-Kern. Der britische Astronom Fred Hoyle postulierte in den 1950er Jahren, dass ein spezieller Übergangszustand, der sogenannte Hoyle-Zustand, diesen Prozess ermöglicht.
Der Hoyle-Zustand ist ein energetischer Zustand, der es den Helium-Kernen erlaubt, sich zu einem Kohlenstoff-Kern zu verbinden. Forscher um Prof. Dr. Ulf Meißner von der Universität Bonn und dem Forschungszentrum Jülich haben es nun geschafft, diesen Zustand mithilfe von Supercomputern zu simulieren. Durch die Einschränkung der Bewegungsfreiheit der Protonen und Neutronen auf einem dreidimensionalen Gitter konnten sie die Anordnung der Teilchen im Kohlenstoff-Kern berechnen. Diese Simulationen erforderten immense Rechenleistung und wurden auf dem Supercomputer JEWELS durchgeführt.
Die Ergebnisse der Simulationen zeigen, dass die Protonen und Neutronen im Kohlenstoff-Kern nicht unabhängig voneinander existieren, sondern in Gruppen von je zwei Protonen und zwei Neutronen geclustert sind. Diese Cluster bilden entweder ein gleichschenkliges Dreieck oder eine Formation, die einem leicht gebeugten Arm ähnelt. Diese Erkenntnisse sind nicht nur für das Verständnis der Kernphysik von Bedeutung, sondern könnten auch neue Methoden zur Simulation anderer Atomkerne inspirieren. Die Forschungsergebnisse wurden in der renommierten Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht und bieten spannende Perspektiven für zukünftige Studien in der Kernphysik.
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