Nachrichten-Archiv 2013

Moleküle, die keine Drehspiegelachse besitzen werden als chirale Moleküle bezeichnet. Original und Spiegelbild eines chiralen Moleküls unterscheiden sich analog wie unsere rechte und linke Hand. Die meisten organischen Moleküle besitzen eine solche Händigkeit, auch Chiralität oder Enantiomorphie genannt. Die unterschiedlichen Varianten eines chiralen Moleküls besitzen meist auch unterschiedliche biologische und pharmazeutische Eigenschaften. Daher ist die Untersuchung und Aufklärung der räumlichen Struktur solcher Moleküle von großer Bedeutung.

Mitgliedern der Gruppe "Atomare und molekulare Quantendynamik" von Andreas Wolf und der "ASTROLAB-Gruppe"  von Holger Kreckel ist es gemeinsam mit Chemikern der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg  gelungen, mit Hilfe einer neuen Methode den räumlichen atomaren Aufbau chiraler Moleküle zu visualisieren. Hierdurch kann die sog. absolute Konfiguration der Moleküle bestimmt werden, aus der sich auch der Chiralitätssinn ermitteln lässt, d.h. die Tatsache, ob eine Probe rechts- oder linkshändige Moleküle enthält. Die neu entwickelte Methode basiert auf einer Kombination aus Massenspektrometrie und anschließender Coulomb-Explosionsmessung. Sie wurde auf die gasförmige Probe des chiralen Epoxides Dideuterooxiran angewendet. Die neue Methode erscheint sehr vielversprechend für zukünftige Anwendungen mit chiralen Molekülen.

Weiterführende Informationen finden Sie im kürzlich erschienenen "Science"-Artikel  von P. Herwig et al. sowie der ausführlichen Pressemitteilung des MPIK .

Weitere Pressemitteilungen:

• Pressemitteilung der Max-Planck-Gesellschaft 
• Pressemitteilung der Universität Heidelberg 
• Pressemitteilung der DPG (Pro-Physik) 
• Nachricht von Phys.org 
• Nachricht von CHEMIE.DE 
• Nachricht von ScienceNewsline 
• Nachricht von ScienceDaily 

Die Möglichkeit plötzlicher Strukturveränderungen in noch unerforschten Bereichen der Nuklidkarte ist eine Herausforderung an unser theoretisches Verständnis des Atomkerns. In der neutronenreichen Region bei A≈100 führen plötzliche Änderungen der Massenoberfläche zu gewagten Extrapolationen und verändern die vorhergesagten natürlichen Häufigkeiten der Elemente. Daher wurde die neutronenreiche Region bei A≈100 intensiv mit Hilfe theoretischer Ansätze wie dem Interacting Boson Model (IBM) und Hartree-Fock-Bogoliubov (HFB) untersucht.

In einem kürzlich in Physical Review C veröffentlichten Artikel berichten V. Manea et al. über die Bestimmung der Massen der neutronenreichen ^98–100Rb-Isotope mit dem Penningfallen-Massenspektrometer ISOLTRAP  an ISOLDE /CERN , Genf. Die Masse von ¹⁰⁰Rb wurde zum ersten Mal bestimmt. ¹⁰⁰Rb ist das kurzlebigste Nuklid, das bislang mit ISOLTRAP gemessen wurde. Die Masse von ⁹⁹Rb konnte signifikant verbessert werden. Aufgrund der geringen Ausbeute und kurzen Halbwertszeit von ¹⁰⁰Rb und ⁹⁹Rb kam die Ramsey-Flugzeitmethode (Ramsey-type TOF-ICR method) zum Einsatz. Der mögliche isomere Zustand von ⁹⁸Rb wurde während einer konventionellen TOF-ICR-Messung nicht beobachtet.

Die gemessenen Massen bestätigen, dass die Rubidium-Isotope dem Trend der Isotopenketten mit höheren Protonenzahlen folgen und legen nahe, dass sich der plötzliche Übergang der Kernform bei N=60 bis mindestens Z=37 ersteckt. Dies markiert die bekannte untere Z-Grenze des Übergangs der Kernform bei N=60, da für Z=36 kein solcher Übergang für ⁹⁶Kr auftritt.

Die Systematik der Zwei-Neutronen-Separationsenergien und Ladungsradien in der gemessenen Region wurden mit den Ergebnissen von HFB-Berechnungen verglichen. Dies ermöglichte die Beschreibung der Entwicklung der Kernformen hin zur Isotopenkette von Krypton und die Diskussion der Veränderungen zwischen den Isotopenketten von Rubidium und Krypton. Es konnte gezeigt werden, dass die Paarwechselwirkung einen signifikanten Einfluss sowohl auf die vorhergesagte Lage des Übergangs der Kernform als auch auf die Absolutwerte der Zwei-Neutronen-Separationsenergien und Ladungsradien der deformierten Kerne hat. Ein Übergang zum stark verlängerten Rotationsellipsoid oder alternativ zum stark abgeplatteten Rotationsellipsoid wird zur Erklärung des abweichenden Verhaltens der Krypton-Isotope vorgeschlagen.
Die Analyse wurde auf die Region bei N∼56 ausgedehnt, um die Rolle von dynamischen Oktupol-Korrelationen (Oktupol-Kollektivität) für die Erklärung des Gesamtbildes der Massenoberfläche bei A=100 zu untersuchen.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Das erste Chinesisch-Deutsche Symposium zum Thema "Hochpräzisionsexperimente mit gespeicherten exotischen und stabilen Ionen" findet Vom 6. bis 11. November 2013 in Lanzhou, China, statt. Experten aus Deutschland, China und drei weiteren Ländern diskutieren aktuelle Themen der Speicherringphysik.

Das Symposium wurde von Dr. Yuri Litvinov , GSI , und Prof. Yuhu Zhang  , Institute of Modern Physics in Lanzhou , gemeinsam beantragt. Nach der Evaluierung des Antrags durch Gutachter aus Deutschland und China, wurde das Symposium im September 2013 bewilligt. Für die Durchführung der Veranstaltung und die Reisemittel für 18 Teilnehmer stehen insgesamt 173 600 RMB (rund 20 000 Euro) zur Verfügung. Die Kosten übernimmt das Chinesisch-Deutsche Zentrum für Wissenschaftsförderung  (CDZ). Das CDZ ist eine als Joint-Venture gegründete Forschungsförderungseinrichtung der Deutschen Forschungsgemeinschaft  (DFG) und der National Natural Science Foundation of China  (NSFC) mit Sitz in Peking. Ziel ist die Förderung der wissenschaftlichen Zusammenarbeit zwischen Deutschland und China in den Fachgebieten der Natur-, Lebens-, Management- und Ingenieurwissenschaften.

Weitere Informationen finden Sie auf der Webseite des Symposiums ... >

Die 16. Internationale Konferenz zur Physik hochgeladener Ionen (HCI 2012 ) fand vom 2.–7. September 2012 an der Ruprecht-Karls Universität in Heidelberg statt. Das Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) war einer der Organisatoren dieser Tagung.

Die Physik hochgeladener Ionen (HCI) ist ein sich schnell entwickelndes und attraktives Forschungsgebiet mit Einfluss auf zahlreiche andere Forschungsdisziplinen. Die Heidelberger HCI2012-Konferenz brachte etablierte Wissenschaftler mit Studenten, Nachwuchswissenschaftlern und Wissenschaftlern aus verwandten Disziplinen, die Erkenntnisse der HCI-Forschung nutzen sowie ihr neue Impulse geben, zusammen.

Der Tagungsband der HCI 2012 ist kürzlich in Physica Scripta erschienen. Unsere Abteilung ist mit sechs Artikeln zur Präzisionsspektroskopie von bzw. experimentellen Entwicklungen für HCI beteiligt. Weitere Informationen finden Sie im Vorwort  und den Beiträgen  des Tagungsbandes.

Klaus Blaum ist gemeinsam mit Holger Müller (Berkeley) und Nathal Severijns (KU Leuven) Gastredakteur einer zweibändigen Sonderausgabe von "Annalen der Physik" zu "Präzisionsexperimenten und grundlegender Physik bei niedrigen Energien" (siehe bitte Nachricht vom 23.07.13). Jüngst ist Band II der Sonderausgabe erschienen.

Im zweiten Band sind Übersichtsartikel und Ergebnisse intensiver Studien zusammengestellt, die sich mit der präzisen Bestimmung fundamentaler Konstanten, den Tests fundamentaler Symmetrien des Standardmodells sowie der Suche nach neuer Physik befassen.

Hochpräzise Messungen fundamentaler Konstanten, z.B. der Feinstrukturkonstante α, sind von großer Bedeutung, da deren genauen Werte ein sehr breites Anwendungsfeld besitzen, zu Tests der akzeptierten Gesetze der Physik beitragen und zur Definition des Internationalen Einheitensystems (SI) benötigt werden. In der künftigen Version des SI wird das Planck'sche Wirkungsquantum h einen definierten Wert besitzen.

Unsere Beobachtung liefert starke Belege dafür, dass das Standardmodell der Elementarteilchenphysik unvollständig ist. Es kann beispielsweise nicht erklären, weshalb das Universum von Materie dominiert wird. Denn das Standardmodell weist als Lorentz-invariante lokale Feldtheorie eine perfekte (CPT-)Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie auf. Verschiedene hochpräzise experimentelle Tests der fundamentalen Symmetrien, wie der Lorentz- und CPT-Symmetrie, werden möglicherweise winzige Abweichungen von der exakten Symmetrie aufdecken. Solche experimentellen Ergebnisse liefern strenge Kriterien für (supersymmetrische) Theorien jenseits des Standardmodells und bereiten somit den Weg zu neuer Physik.

Weitere Informationen finden Sie im Editorial  und in den Beiträgen  des zweiten Bandes der Sonderausgabe.

Klaus Blaum ist gemeinsam mit Yuri Litvinov (GSI Darmstadt) Redakteur einer Sonderausgabe des "International Journal of Mass Spectrometry" zu "100 Jahren Massenspektrometrie", die jüngst veröffentlicht wurde.

Heute, im Jahr 2013, können wir auf 100 Jahre Massenspektrometrie zurückblicken. Ihre Erfolgsgeschichte begann 1913 mit J.J. Thomsons Experimenten mit "Rays of positive electricity" (heute: "Ionenstrahlen"). Thomson entdeckte mit seinem "Parabelspektrographen" außerdem die Existenz von Neon-Isotopen bzw. allgemeiner gesagt fand er neue Nuklide. Bald darauf entdeckte sein Student F.W. Aston den so genannten "Massendefekt" von Atomkernen.

Die Pionierarbeiten von J.J. Thomson und F.W. Aston sowie parallel dazu von A.J. Dempster führten zu einem schnell anwachsenden Interesse an Atommassenmessungen. Seit den ersten Experimenten bis heute, inspirieren neue Ergebnisse zu Atommassen die Entwicklung neuer Kerntheorien. Der große Erfolg der mittlerweile hundert Jahre andauernden Massenspektrometrie und der aus ihr hervorgegangenen Entdeckungen wird durch zahlreiche Nobelpreise, beginnend mit F.W. Aston (NP, 1922), unterstrichen.

Die kürzlich veröffentlichte Sonderausgabe hat zum Ziel, einen Überblick über die Erfolgsgeschichte der Massenmessungen der vergangenen hundert Jahre zu geben. Ein besonderer Schwerpunkt wurde dabei auf Forschungsbeispiele aus der Atom- und Kernphysik gelegt. Weitere Informationen finden Sie im Vorwort  und in den Beiträgen  der Sonderausgabe.

Durch hochpräzise Messungen ist es Physikern möglich, die fundamentalen Wechselwirkungen der Natur zu erforschen und dazu beizutragen, eine Theorie jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik zu finden, die möglicherweise die Gravitationstheorie mit der Quantenmechanik zur Theorie der Quantengravitation vereinigen kann.

Klaus Blaum ist gemeinsam mit Holger Müller (Berkeley) und Nathal Severijns (KU Leuven) Gastredakteur einer Sonderausgabe von "Annalen der Physik" zu "Präzisionsexperimenten und grundlegender Physik bei niedrigen Energien". Sie besteht aus zwei Bänden, Band I ist kürzlich veröffentlicht worden, Band II wird kommenden August erscheinen. Beide Bände behandeln in Übersichtsartikeln aktuelle Bemühungen, fundamentale Wechselwirkungen und deren Eigenschaften bei niedrigsten Energien zu untersuchen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf fundamentalen Konstanten und Tests von Symmetrien. Ergänzt wird dies durch eine Reihe von Originalveröffentlichungen aus diesem Forschungsgebiet.

Hochpräzise Atommassen aus Penningfallen-Messungen, z.B. gewonnen mit dem TITAN  Penningfallen-Massenspektrometer, liefern genaue Informationen für den Test der postulierten Unitarität der Cabibbo-Kobayashi-Maskawa Quark-Mischungsmatrix. Eine weitere Verbesserung der Messpräzision sowie wichtige theoretische Fortschritte könnten zu einer neuen Physik jenseits der Standardmodells der Teilchenphysik führen.
Neben anderen Methoden, tragen auch Penningfallen-Experimente zu der Erforschung fundamentaler Konstanten, insbesondere der Feinstrukturkonstante α, sowie zu Symmetrietests, z.B. zum Test der grundlegenden CPT-Symmetrie (C:Ladung, P:Parität, T:Zeit), bei. In den letzten Jahren haben Experimente mit Antimaterie an der Antiproton-Decelerator-Anlage am CERN  wichtige Ergebnisse geliefert, die verschiedene neue Tests der CPT-Symmetrie über den Vergleich der Eigenschaften von Teilchen mit denen ihrer korrespondierenden Antiteilchen ermöglichen.

Weitere Informationen finden Sie im Editorial  und in den Beiträgen  der Sonderausgabe.

Die Beschreibung exotischer Atomkerne mit extremen Neutron-zu-Proton-Asymmetrien stellt eine große Herausforderung dar, da die meisten theoretischen Modelle für Kerne im Tal der Stabilität entwickelt wurden. Äußerst neutronenreiche Kerne zeigen eine Empfindlichkeit gegenüber neuen Aspekten der Kernkräfte. Basierend auf der chiralen effektiven Feldtheorie führen Berechnungen mit Drei-Nukleon-Kräften zu theoretischen Vorhersagen über die Kernwechselwirkungen fernab der Stabilität. Diese Vorhersagen wurden kürzlich durch direkte Penningfallen-Massenmessungen von ⁵¹Ca und ⁵²Ca an TITAN/TRIUMF , Kanada, bestätigt. Die Ergebnisse etablierten eine wesentliche Änderung gegenüber der früheren Massenevaluierung und lassen völlig offen, wie sich die Kernmassen nach ⁵²Ca entwickeln. Deshalb sind Massenmessungen von schwereren Calcium-Isotopen entscheidend für die Verbesserung unseres Verständnisses neutronenreicher Materie.

F. Wienholtz et al. präsentieren die Ergebnisse der ersten Massenmessungen der exotischen Calcium-Isotope ⁵³Ca und ⁵⁴Ca, die soeben in der renommierten Wissenschaftszeitschrift "Nature" veröffentlicht wurden. Die Messungen wurden mit dem hochauflösenden Multireflexions-Flugzeitmassenspektrometer/-separator (MR-TOF MS) ISOLTRAP  an CERN , Genf, durchgeführt. Dies ist die erste Anwendung der MR-TOF MS-Methode auf seltene Isotope.
Zunächst wurde das MR-TOF MS als Isobarenseparator eingesetzt, um die Massen von ⁵¹Ca und ⁵²Ca über die Bestimmung der Verhältnisse der Zyklotronfrequenzen zu messen. Die erhaltenen Werte stimmen gut mit den erwähnten kürzlichen Messungen mittels TITAN überein, wobei die Unsicherheit um einen Faktor 40 und 80 für ⁵¹Ca bzw. ⁵²Ca reduziert werden konnte. Aufgrund der niedrigen Produktionsraten sowie der starken isobaren Verunreinigung, waren solche Penningfallen-Messungen für ⁵³Ca⁺ und ⁵⁴Ca⁺ nicht möglich. Daher wurde für ⁵³Ca⁺ und ⁵⁴Ca⁺ die MR-TOF-Apparatur selbst als Massenseparator eingesetzt, wodurch die Physiker erstmals experimentell die Massen von ^53,54Ca bestimmen konnten. Die Werte der Zwei-Neutronen-Separationsenergie S_2n werden bevorzugt zur Erforschung der Entwicklung der Kernstruktur mit wachsender Neutronenzahl eingesetzt. Die S_2n-Werte lassen sich aus dem ermittelten Massenexzess herleiten. Die neuen ISOLTRAP-Massen von ⁵³Ca und ⁵⁴Ca zeigten eine ausgeprägte Abnahme der S_2n-Werte, was exzellent mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmt. Die neuen Daten etablieren somit eindeutig einen ausgeprägten Schalenabschluss bei N=32 und sie zeigen, dass Schaleneffekte fernab der Stabilität nicht verschwinden.
Die ersten Massenmessungen der Isotope ⁵³Ca und ⁵⁴Ca stellen Ankerpunkte zur Festlegung der Kernkräfte dar, die mithilfe der chiralen effektiven Feldtheorie erforscht werden.

Weitere Informationen finden Sie im "Nature"-Artikel ... >

Bitte lesen Sie auch:

• Pressemeldung des Max-Planck-Instituts für Kernphysik 
• Pressemeldung der Max-Planck-Gesellschaft 
• Pressemeldung des idw 
• Pressemeldung des CERN 
• Pressemeldung der GSI 
• Pressemitteilung der Technischen Universität Darmstadt 
• Pressemitteilung der Technischen Universität Dresden 
• Pressemitteilung der DPG (Pro-Physik) 
• Pressemitteilung von Spektrum.de 
• FAZ Wissen Physik & Chemie 
• Pressemitteilung von Phys.Org 
• Pressemitteilung von myScience 
• Pressemitteilung von Scinexx 
• Pressemitteilung von Innovations-Report 
• Pressemitteilung von Internetchemie ChemLin 
• Press release of CHEMIE.DE 
• Pressemitteilung von pressrelations 
• Pressemitteilung von SINC (spanisch) 
• Post auf der ERC Facebook-Seite 

Die CPT-Symmetrie (C:Ladung, P:Parität, T:Zeit) ist die fundamentalste Symmetrie im Standardmodell der Teilchenphyisk. Sie definiert, dass die grundlegenden Eigenschaften von Teilchen und ihren zugehörigen Antiteilchen identisch sind. Jede Messung eines Unterschieds zwischen den Eigenschaften eines exakt konjugierten Materie-Antimaterie-Systems könnte dazu beitragen, das Problem der im Universum beobachteten Materie-Antimaterie-Asymmetrie zu lösen. Dies inspiriert Physiker dazu neuartige Techniken und experimentelle Aufbauten zu entwickeln, die den hochpräzisen Vergleich der Eigenschaften von Materie und Antimaterie bei niedrigsten Energien ermöglichen.

In einem jüngst in Physics Letters B erschienenen Artikel berichten A. Mooser et al. über die erste erfolgreiche Anwendung der Doppel-Penningfallen-Technik mit einem einzelnen Proton. Diese neuartige experimentelle Methode hat den hochpräzisen Vergleich der magnetischen Momente des Protons und des Antiprotons zum Ziel. Bei der üblichen Methode zur Messung des magnetischen Moments eines einzelnen in einer kryogenen Penningfalle gespeicherten Teilchens misst man die Präzessionsfrequenz des Spins (Larmorfrequenz) zerstörungsfrei mittels des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts. Hierzu wird ein stark inhomogenes Magnetfeld (magnetische Flasche) benötigt, welches das magnetische Spinmoment des gespeicherten Teilchens an seine Axialbewegung koppelt. Diese magnetische Flasche führt jedoch zu einer Linienverbreiterung der Larmorresonanz, und limitiert folglich die experimentelle Präzision. Die elegante Doppel-Penningfallen-Methode überwindet dieses Problem durch den Einsatz zweier getrennter Penningfallen, der Präzisions- und der Analysefalle. Die Detektion des Spinzustands erfolgt in der Analysefalle mit der überlagerten starken magnetischen Flasche. Die Messung der Zyklotronfrequenz sowie die Anregung von Spin-Flips bei der Larmorfrequenz werden in der Präzisionsfalle durchgeführt, in welcher das Magnetfeld 75 000-fach homogener ist. Dadurch wird die Linienbreite der Spinresonanz drastisch reduziert und die Präzision kann um mehr als drei Größenordnungen verbessert werden.
Die im Artikel beschriebene erste erfolgreiche Anwendung der Doppel-Penningfallen-Technik auf ein einzelnes Proton ebnet den Weg zur ersten hochpräzisen direkten Messung des magnetischen Moments des Teilchens. Die Anwendung der Methode auf ein einzelnes Antiproton, die im Rahmen des BASE Experiments am Antiproton-Decelerator am CERN in Genf geplant ist, wird somit einen der empfindlichesten Tests der CPT-Symmetrie liefern.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Lesen Sie mehr über das kürzlich bewilligte BASE Experiment am Antiproton-Decelerator am CERN im CERN bulletin .

Das Schalenmodell der Kernphysik wurde zur Erklärung der beobachteten Schalenstruktur in Atomkernen eingeführt. Die Bestimmung des elektrischen Quadrupolmoments erlaubt einen sehr strengen Test dieses Modells, da ihm zufolge das Quadrupolmoment eine lineare Abhängigkeit von der Zahl der Valenz-Neutronen aufweist. Die Hauptschwierigkeit besteht darin vorherzusagen, welche Kerne höchstwahrscheinlich diese lineare Abhängigkeit zeigen. Am aufschlussreichsten haben sich bislang die Cadmium-Isotope in der Nähe des "magischen" Zinns erwiesen. Sie liefern wichtige Informationen für die Vorhersage komplexer Kerne sowie das Verständnis der Nukleosynthese in Sternen.

In einem soeben in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichten D. T. Yordanov et al. von der Untersuchung der neutronenreichen Cadmium-Isotope bis zum N = 82 Schalenabschluss mittels hochauflösender Laserspektroskopie. Die Messungen wurden mit dem COLLAPS-Setup  an ISOLDE-CERN , Genf, durchgeführt. Es kam hierzu die Anregung im tiefen UV-Spektralbereich bei 214.5 nm und die Bündelung radioaktiver Strahlen zum Einsatz. Dadurch konnte die erforderliche experimentelle Empfindlichkeit zur Messung der sehr exotischen Cadmium-Isotope mit ungerader Massenzahl erreicht werden. Dies führte zur Entdeckung der beiden langlebigen 11/2^--Isomere ¹²⁷Cd und ¹²⁹Cd. Ein besonders bemerkenswertes Ergebnis der Untersuchungen ist, dass alle Quadrupolmomente des Kernzustands mit einem Gesamtdrehimpuls 11/2, das Unique Parity h_11/2-Intruderorbital, eine lineare Abhängigkeit von der Neutronenzahl aufweisen. Das ist eine Bestätigung dafür, dass das Schalenmodell der Kernphysik sogar auf komplexe Kerne anwendbar ist.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Lesen Sie bitte die ausführlichen Pressemitteilungen des MPIK  und des idw .

Der Artikel wurde für einen sog. Viewpoint in Physics ausgewählt. Bitte lesen Sie auch den Standpunkt zum Artikel  von John Wood (Georgia Institute of Technology).

Der Artikel wurde auch als "Empfehlung des Editors" ausgezeichnet. Dieses Prädikat erhalten Artikel "die hochinteressante Ergebnisse präsentieren und denen es dabei gelingt deren Bedeutung gerade auch an Leser aus anderen Gebieten erfolgreich zu vermitteln." (freie Übersetzung, siehe hier )

Das Schalenmodell der Kernphysik bildet die Grundlage für unser Verständnis der Atomkerne. Da heute immer exotischere radioaktive Strahlen zur Verfügung stehen, können neue Bereiche der Nuklidkarte erforscht werden. Somit müssen starke Änderungen an der wohlbekannten Schalenstruktur vorgenommen und die theoretischen effektiven Schalenmodell-Wechselwirkungen entsprechend verbessert werden. Im Wechselspiel zwischen Theorie und Experiment sind Kernspins und magnetische Momente von entscheidender Bedeutung.

In einem jüngst in Physical Review Letters erschienenen Artikel präsentieren J. Papuga et al. die Ergebnisse der Messungen der Kernspins und magnetischen Momente des Grundzustands von ⁴⁹K mit zwei bzw. von ⁵¹K mit vier Neutronen über der magischen Neutronenzahl N = 28. Die Messungen wurden mittels hochauflösender kollinearer Laserspektroskopie an ISOLDE/CERN in Genf durchgeführt. Aus dem Hyperfeinspektrum von ⁴⁹K ergab sich für den Grundzustand ein Spin von I = 1/2. Die für ⁵¹K beobachtete Hyperfeinstruktur erfordert einen Spin I > 1/2 und schließt einen Spin von I = 5/2 oder größer mit einem Konfidenzniveau von 95% aus. Folglich ist I = 3/2 für ⁵¹K sehr wahrscheinlich. Die erhaltenen magnetischen Momente μ(⁴⁹K) = + 1.3386(8)[40]μ_N und μ(⁵¹K) = + 0.5129(22)[15]μ_N führen zu einer gemischten Konfiguration für ⁴⁹K und einer eher reinen π1d^-1_3/2 Konfiguration für ⁵¹K.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Die zurzeit genauesten Werte für die magnetischen Momente des Protons und des Antiprotons stammen von Messungen der Hyperfeinaufspaltung in atomarem Wasserstoff bzw. der Super-Hyperfeinspektroskopie von antiprotonischem Helium. Moderne Penningfallensysteme eröffnen nun die Möglichkeit, die magnetischen Momente des Protons und des Antiprotons direkt zu messen, ohne theoretische Bound-State-Korrekturen zu benötigen. Der direkte hochpräzise Vergleich des magnetischen Moments des Protons und des Antiprotons liefert einen sehr strengen Test für die Ladungs-, Paritäts- und Zeit-Symmetrie (CPT-Symmetrie) im Baryonen-Sektor.

In einem kürzlich in Physical Review Letters erschienenen Artikel berichten A. Mooser et al. über den erstmaligen Nachweis einzelner Spin-Flips eines einzelnen Protons. Spin-Flips können durch Einstrahlen eines magnetischen Hochfrequenz-Feldes induziert werden und mittels des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts zerstörungsfrei beobachtet werden. Hierzu wird ein sehr inhomogenes Magnetfeld (magnetische Flasche) benötigt, welches die Präzision des statistischen Nachweises der Spin-Flips limitiert. Um die Präzision um einige Größenordnungen zu verbessern, wurde im Experiment eine kryogene Doppel-Penningfalle eingesetzt. Dies hat den Vorteil, dass die Messung der Zyklotronfrequenz und die Anregung von Spin-Flips bei der Larmorfrequenz in einer ersten Penningfalle (Präzisionsfalle) mit einem homogenen Magnetfeld erfolgen. Der Nachweis des Spinzustands wird in einer zweiten Penningfalle (Analysefalle) mit einer magnetischen Flasche durchgeführt, die das magnetische Moment des einzelnen Protons an seine Axialbewegung koppelt. Spin-Flips werden durch Sprünge in der Schwingungsfrequenz angezeigt und sie konnten anhand einer Bayesschen Analyse identifiziert werden. Die Bayessche Methode ist der Schwellenwertmethode klar überlegen. Sie bestätigt gut die in den Ausgangsdaten sichtbaren Spin-Flips und liefert ein konsistentes Bild der zeitlichen Entwicklung der Projektion des Proton-Spinzustands.
Voraussetzung für die eingesetzte Doppel-Penningfallen-Technik ist, dass einzelne Spin-Flips aufgelöst werden können, was bislang bei Kernspins nicht möglich war. Die erste erfolgreiche Beobachtung von einzelnen Spin-Flips eines einzelnen Protons ermöglicht nun den Einsatz der Doppel-Penningfallen-Methode zur Messung des magnetischen Moments des Protons sowie des Antiprotons mit einer Präzision von mindestens 10^-9. Wie bereits erwähnt, gestattet dies einen hochpräzisen Test der Materie-Antimaterie-Symmetrie.

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Röntgenstrahlen-Ausbrüche vom Typ I sind thermonukleare Explosionen auf der Oberfläche von Neutronensternen, die Materie des Begleitsterns akkretieren. Typische Ausbrüche besitzen eine Anstiegszeit von wenigen Sekunden, können von 10s bis zu einigen Minuten andauern und treten im Abstand von Stunden bis Tagen auf. Um die beobachteten Lichtkurven und die Zusammensetzung der Kruste, die aus der Asche früherer Ausbrüche besteht, zu verstehen, benötigt man ein Verständnis der komplexen energieerzeugenden nuklearen Prozesse während der Röntgenstrahlen-Ausbrüche, darunter der rp-Prozess (schneller Protoneneinfang). Der rp-Prozess ist eine Abfolge von Protoneneinfängen und β⁺-Zerfällen nahe der Protonenabbruchkante. Ein wichtiger Parameter für das Verständnis des rp-Prozess-Pfads ist die Protonenseparationsenergie (S_p), die sich aus dem Massenexzess herleiten lässt. Somit bestimmen Kernmassen weitgehend den rp-Prozess-Pfad und müssen mit einer Genauigkeit von mindestens der Größenordnung von kT ≈ 50-100 keV bekannt sein.

In einem jüngst in Astrophysical Journal Letters veröffentlichten Artikel berichten X. L. Yan et al. über die Ergebnisse neuer Massenmessungen an Kernen entlang des rp-Prozess-Pfads zwischen Ti und Ni. Die Messungen wurden am Cooler-Storage Ring at the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL-CSR , Bilder ), China, mittels isochroner Massenspektrometrie durchgeführt. Die Massen einer Serie von Nukliden mit Isospinprojektion T_z = -3/2, ⁴¹Ti, ⁴³V, ⁴⁵Cr, ⁴⁷Mn, ⁴⁹Fe, ⁵³Ni und ⁵⁵Cu, wurden mit einer relativen Unsicherheit von ∼10^-6–10^-7 bestimmt.
Die neuen präzisen Massewerte sind von großer Bedeutung für die Modellierung des rp-Prozesses in Röntgenstrahlen-Ausbrüchen. Vor allem konnte gezeigt werden, dass die neue Masse von ⁴⁵Cr wichtig für den rp-Prozess-Pfad ist, aufgrund ihres Einflusses auf die Protonenseparationsenergie von ⁴⁵Cr und die ⁴⁵Cr(γ,p) Photodesintegrationsrate. Der Massenexzess von ⁴⁵Cr wurde zu ME(⁴⁵Cr) = -19515(35) keV bestimmt, was zu der Protonenseparationsenergie S_p(⁴⁵Cr) = 2.69±0.13 MeV führt. Dies schließt die mögliche Entstehung eines signifikanten Ca–Sc-Zyklus in Röntgenstrahlen-Ausbrüchen aus.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Die Frequenz, mit der ein einzelnes Ion im Magnetfeld einer Penningfalle kreist, bietet bislang den genauesten Zugang zu Kernmassen kurzlebiger Isotope. Physiker des MPI für Kernphysik Heidelberg und der Universität Greifswald  haben nun am GSI Helmholtzzentrum Darmstadt  die Kreisbewegung des Ions selbst abgebildet, die gleich dem Sekundenzeiger einer Uhr die Genauigkeit der Messungen steigert. Damit lässt sich die erforderliche Messzeit für instabile Nuklide deutlich verkürzen.

Lesen Sie mehr im soeben in Physical Review Letters online veröffentlichten Artikel von S. Eliseev et al. ... >

Ausführliche Pressemitteilungen zum Artikel:

• MPIK Heidelberg 
• Informationsdienst Wissenschaft 

Anlässlich des Nobel Symposiums "Physics with Radioactive Beams, 2012"  ist kürzlich in Physica Scripta  eine Sonderausgabe erschienen. Klaus Blaum et al. sind darin mit dem Übersichtsartikel "Precision atomic physics techniques for nuclear physics with radioactive beams" vertreten. In diesem Übersichtsartikel werden die Grundprinzipien laserspektroskopischer Untersuchungen sowie Penningfallen- und Speicherring-Massenmessungen kurzlebiger Nuklide zusammengefasst und ausgewählte Forschungsergebnisse diskutiert.

Kernphysikalische Untersuchungen an radioaktiven Strahlen ermöglichen einen tieferen Einblick in die Natur als je zuvor. Innerhalb der letzten zehn Jahre konnten im Bereich der Penningfallen- und Speicherring-Massenspektrometrie sowie der Laserspektroskopie radioaktiver Nuklide erhebliche Fortschritte erzielt werden. Heute ist daher die Bestimmung von Grundzustandseigenschaften mittels Massenspektroskopie und Laserspektroskopie mit bisher unerreichter Präzision und Empfindlichkeit möglich. Die verbesserten Techniken liefern genaue Massen, Bindungsenergien, Q-Werte, Ladungsradien, Spins und elektromagnetische Momente. Diese extrem genauen Werte geben Einblick in Details der Kernstruktur für ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden effektiven Wechselwirkungen, sie liefern wichtige Daten zur Untersuchung von fundamentalen Symmetrien der Physik und helfen dabei, die Nukleosyntheseprozesse zu verstehen, die für die im Universum beobachteten Häufigkeiten der chemischen Elemente verantwortlich sind.

Alle erwähnten experimentellen und theoretischen Gebiete der Kernphysik haben ernorm vom Fortschritt bei der Anpassung atomphysikalischer Techniken an die spezifischen Erfordernisse wie sie radioaktive Isotope mit sich bringen profitiert. Daher sind die verbesserten und neuen Techniken der Penningfallen- und Speicherring-Massenspektrometrie sowie der Laserspektroskopie heute Schlüsselwerkzeuge in genauen Untersuchungen der Physik mit radioaktiven Strahlen. Alle heutigen und geplanten Forschungsanlagen setzen folglich auf diese modernen Techniken.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Der Nukleosyntheseprozess des schnellen Neutroneneinfangs (r-Prozess) soll die in unserem Sonnensystem und unserer Galaxie beobachtete Häufigkeit der leichteren Elemente nahe der Stabilität sowie der schwereren, neutronenreichen Nuklide, die sich in der Nähe von Schalenabschlüssen häufen, erklären. Lange Zeit wurden Supernovae als astrophysikalischer Ort favorisiert, an dem sich dieser r-Prozess abspielt. Es wurde aber auch diskutiert, dass Neutronensterne ein alternativer Ort für den r-Prozess sein könnten, da sie sehr viele Neutronen enthalten. Der r-Prozess könnte demnach während der Dekompression von Krustenmaterial beim Herausschleudern ins interstellare Medium auftreten. Um die astrophysikalische Plausibilität dieses Szenarios einschätzen zu können, benötigt man vor allem ein exaktes Verständnis der Zusammensetzung der äußeren Krusten von Neutronensternen. Die Modellierung der Zusammensetzung der Krusten von Neutronensternen hängt stark von der Kenntnis der Bindungsenergien von neutronenreichen Nukliden nahe der Schalenabschlüsse bei N=50 und N=82 ab. Daher sind hochpräzise Massenmessungen unverzichtbar.

In einem soeben in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichten R. N. Wolf et al. von der ersten präzisen Massenmessung des exotischen Nuklids ⁸²Zn. Die Massenmessung wurde mit ISOLTRAP an ISOLDE-CERN durchgeführt. Dabei kam eine neue Entwicklung der Flugzeitmassenspektrometrie zur on-line Reinigung von radioaktiven Ionenstrahlen zum Einsatz, um auf mehr exotische Nuklide zugreifen zu können. Diese Messung stellt den gegenwärtigen Wissensstand zur N=50 Schale dar und damit die Erkenntnisgrenze für die Ergründung der Zusammensetzung der Kruste von Neutronensternen. Auf Grundlage des neuen experimentellen Massenwerts von ⁸²Zn wurden Berechnungen zur Bestimmung der Krustenzusammensetzung von Neutronensternen angestellt. Das erhaltene Profil für die Zusammensetzung weicht nicht nur vom bisherigen ab, sondern basiert auch auf experimentellen Daten von tieferen Bereichen der Kruste als je zuvor.

Die Abbildung 1 dieses PRL-Artikels, das Tiefenprofil eines Neutronensterns mit der modifizierten Zusammensetzung der Kruste, wurde für die Titelseite der PRL-Ausgabe  vom 25. Januar 2013 ausgewählt.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Bitte lesen Sie auch die Synopsis  und folgende Pressemitteilungen:

• Informationsdienst Wissenschaft 
• DPG (Pro-Physik) 
• Science News 
• ISOLDE News (31.01.2013)

Der g-Faktor eines Elektrons (die Stärke der magnetischen Wechselwirkung des Elektronenspins) ist von der QED sehr genau vorhersagbar und auch im Experiment mit vergleichbarer Genauigkeit messbar. Der Vergleich dieser beiden Werte stellt den zur Zeit empfindlichsten Test der QED gebundener Zustände (bound-state QED, BS-QED) in starken elektromagnetischen Feldern dar.

In einem soeben in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichten A. Wagner et al. über hochpräzise g-Faktor-Messungen an lithiumartigem Silicium ²⁸Si¹¹⁺ und den Vergleich mit dem verbesserten theoretischen Wert. Der g-Faktor wurde mit einem Dreifach-Penningfallen-System mit einer relativen Unsicherheit von 1.1·10^-9 zu g_exp = 2.000 889 889 9(21) bestimmt. Die theoretische Vorhersage für diesen Wert wurde zu g_th = 2.000 889 909(51) berechnet, wodurch die Genauigkeit auf 2.5·10^-8 verbessert werden konnte, indem erstmals die Zwei-Photon-Austausch-Korrektur exakt ausgewertet wurde. Der gemessene Wert stimmt also exzellent mit der theoretischen Vorhersage überein und liefert den derzeit strengsten Test der QED gebundener Zustände für den g-Faktor des 1s²2s Zustands und die relativistischen Berechnungen für Mehrelektronensysteme in einem Magnetfeld. Es ist die zurzeit genaueste Bestimmung des g-Faktors eines Drei-Elektronen-Systems.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Bitte lesen Sie auch die Pressemitteilungen des Max-Planck-Instituts für Kernphysik  und der DPG (Pro-Physik)