Nachrichten-Archiv 2010

Die Ergebnisse von aktuellen Kernstrukturuntersuchungen sind soeben in drei Phys. Rev. C Artikeln erschienen:

R. B. Cakirli et al. berichten über den Hinweis auf eine Wigner-artige Minivalenzenergie in schweren Kernen. Es wurden Doppeldifferenzen von Bindungsenergien, bekannt als δV_pn(Z,N)-Werte, verwendet und hiermit ein Effekt ähnlich der in leichten Kernen bereits beobachteten Wigner Spin-Isospin-Symmetrie erhalten.

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R. B. Cakirli et al. berichten über Korrelationen von experimentellen Isotopieverschiebungen mit spektroskopischen Observablen und Observablen der Masse. Es konnte gezeigt werden, dass es bemerkenswerte Korrelationen unter zahlreichen Differential-Observablen in gerade-gerade Kernen gibt, die große Bereiche der Nuklidkarte und sehr unterschiedliche physikalische Kerneigenschaften umfassen, von Einteilchenbindung bis zu Kerngrößen und kollektiven Eigenschaften des Vielteilchensystems selbst.

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P. Vingerhoets et al. berichten über Messungen der Kernspins im Grundzustand und der magnetischen und Quadrupolmomente der Kupferisotope von ⁶¹Cu bis zu ⁷⁵Cu. Die Experimente wurden am On-Line Isotope Mass Separator ISOLDE  am CERN mittels kollinearer Laserspektroskopie durchgeführt. Die Messergebnisse wurden anschließend mit groß angelegten Schalenmodellrechnungen verglichen.

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In einem kürzlich in "Reports on Progress in Physics" veröffentlichten Übersichtsartikel präsentieren und diskutieren Yuri A. Litvinov und Fritz Bosch Zweikörper-Betazerfälle, im einzelnen den gebundenen Betazerfall und den orbitalen Elektroneneinfang an der GSI  in Darmstadt. Dort ermöglicht der Fragmentseparator FRS  die Erzeugung und Separation von exotischen, hochgeladenen Nukliden, die anschließend im Speicherring ESR  gespeichert und untersucht werden können.

Der Betazerfall hochgeladener Ionen hat in den letzten Jahren großes Interesse auf sich gezogen, da die stellare Nukleosynthese bei hohen Temperaturen abläuft, bei denen die beteiligten Atome hoch ionisiert sind. Außerdem sind Einelektronenionen ideale wohldefinierte quantenmechanische Systeme zur Untersuchung von Betazerfällen. Betazerfälle hochgeladener Ionen weisen die größten Änderungen der Halbwertszeit gegenüber neutralen Atomen auf.

Yuri A. Litvinov und Fritz Bosch beschreiben in ihrem Übersichtsartikel ausführlich die Erzeugung und Separation von hochgeladenen Radionukliden, die Speicherringanlagen mit radioaktiven Strahlen und den Betazerfall von gespeicherten hochgeladenen exotischen Kernen. Darüber hinaus befassen sie sich auch mit bislang noch nicht umgesetzten experimentellen Herausforderungen und zeigen Perspektiven für die neuen Anlagen mit radioaktiven Strahlen, wie FAIR in Darmstadt , IMP in Lanzhou  und RIKEN in Wako  auf.

In einem soeben in Phys. Rev. C veröffentlichten Artikel berichten B. Cheal et al. über die Ergebnisse der Messungen am ⁸⁰Ga Isotop mittels kollinearer Laserspektroskopie an ISOLDE , CERN, Genf.
Bei der Messung der Hyperfeinstrukturen von zwei Kernzuständen in ⁸⁰Ga wurde ein tief liegender isomerer Zustand mit einer Halbwertszeit weit über 200 ms entdeckt. Einer der Strukturen konnte allein durch die modellunabhängige Analyse der Messdaten der Kernspin I=3 zugeordnet werden. Schalenmodell-Berechnungen lassen darauf schließen, dass der andere Zustand Kernspin I=6 besitzt und es sich um den Grundzustand handelt.

Weitere Penningfallen-Messungen und ergänzende Studien werden ermöglichen, experimentell zu bestimmen, welcher der beiden Zustände der isomere Zustand ist und Messungen von Eigenschaften wie etwa der Anregungsenergie und der Halbwertszeit erlauben.

In einem kürzlich in Phys. Rev. Lett. veröffentlichten Artikel berichten M. W. Reed et al. von der Untersuchung von gekühlten ¹⁹⁷Au Projektilfragmentationsprodukten, die mit dem Experimental Storage Ring  (ESR) an der GSI Darmstadt durchgeführt wurde.

Seit langem wird eine isomerreiche "Landschaft" für deformierte neutronenreiche Z ~ 72 (Hafnium) Nuklide vorausgesagt, gestützt durch detaillierte Modellrechnungen. Wesentliche Weiterentwicklungen im Bereich der Speicherringtechnologie ermöglichen heute ausreichend präzise Massenmessungen von einzelnen Ionen, um zwischen dem Grundzustand und einem metastabilen angeregten Zustand eines Atomkerns, auch Isomer genannt, zu unterscheiden.

Im Experiment wurden projektilartige Fragmente in den ESR injiziert und ihre Masse gemessen. Auf diese Weise konnten neue langlebige Hafnium- und Tantalisomere (^183,184,186Hf und ^186,187Ta) entdeckt werden. Diese Ergebnisse unterstützen die Vorhersage einer stark bevorzugten Isomerregion in der Nähe der Neutronenzahl 116.

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Die absolute Masse des Neutrinos ist für Physik und Kosmologie von fundamentaler Bedeutung. Die Untersuchung des Elektroneneinfangs (electron capture, EC) zur Bestimmung der Neutrinomasse bietet eine spannende Alternative zu β-Zerfall Experimenten. Durch die Fortschritte in der Penningfallen-Massenspektrometrie und der kryogenen Mikrokalorimetrie sind heute Bestimmungen der Neutrinomasse mit einer deutlich höheren Genauigkeit möglich.

In einem kürzlich in Physics Letters B erschienenen Artikel berichten S. Eliseev et al. von der Bestimmung des Q_EC-Werts des Elektroneneinfangs in ¹⁹⁴Hg durch direkte Massenmessungen von ¹⁹⁴Hg und ¹⁹⁴Au am ISOLTRAP  Penningfallen-Massenspektrometer an ISOLDE/CERN .

Der neu bestimmte Q_EC-Wert von ¹⁹⁴Hg ist 29(4) keV. Da die Bindungsenergie des Elektrons in der K-Schale größer als der Q_EC-Wert ist, kann der Kerneinfang des K-Elektrons nun ausgeschlossen werden, während er auf Basis des bisherigen evaluierten AME2003 Werts (und Unsicherheit) von Q_EC = 69(14) keV erlaubt gewesen wäre.

Die Obergrenze für die Neutrinomasse ist gegenwärtig 225 eV. 20 eV könnten für die nächsten Jahre ein Limit für die Bestimmung einer Obergrenze der Masse des Elektron-Neutrinos über den Elektroneneinfang in ¹⁹⁴Hg sein. Durch deutliche Verbesserungen dieser Technik könnte dieser Wert weiter gesenkt werden.

Am 7. Mai 2010 hat die FAIR STI (working group on Scientific and Technical Issues) den Technischen Design-Report von MATS und LaSpec genehmigt. Die Zukunftsanlagen von MATS und LaSpec werden am Niedrigenergiezweig des Superconducting Fragment Separator von FAIR aufgebaut, mit dem Ziel, Hochpräzisionsexperimente an sehr exotischen Isotopen mit Lasern und Ionenfallen durchzuführen.

Der Technische Design-Report wurde für die Veröffentlichung in einer Sonderausgabe des European Physical Journal Special Topics  von den Autoren Daniel Rodríguez (Universidad de Granada), Klaus Blaum (Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg) und Wilfried Nörtershäuser (Johannes Gutenberg-Universität Mainz) angepasst. Der Artikel wurde von 104 Wissenschaftlern unterzeichnet, von 30 Instituten in Deutschland, Finnland , Russland, Spanien, Frankreich, Großbritannien, Schweden, Indien, Schweiz, Belgien, USA und Kanada, die gemeinsam die MATS- und LASPEC-Kollaboration bilden.

In einem soeben in Phys. Rev. Lett. veröffentlichten Artikel berichten S. Naimi et al. von den ersten Massenmessungen an ^96,97Kr, die mit dem Penningfallen-Spektrometer ISOLTRAP  an ISOLDE , CERN, Genf durchgeführt wurden.

Diese neuen Messungen erweitern die bekannte Massenoberfläche für Z = 36 über N = 60 hinaus und liefern Ergebnisse, die ein Verhalten zeigen, das stark von den schwereren Nachbarn abweicht, wo eine plötzliche und deutliche Deformation vorliegt. Somit legen die Massen von ^96,97Kr das Limit für die Region mit starker Deformation fest und ermöglichen erstmals, die untere Grenze der Region des Punktes kritischen Verhaltens zu erfassen.

Diese Entdeckung eines der bemerkenswertesten Beispiele für einen Übergang der Kernform hat umfangreiche experimentelle und theoretische Untersuchungen angeregt. Außerdem zeigt sie, wie leistungsstark die Penningfallen-Spektrometrie zur Erforschung von grundlegenden Struktureigenschaften eingesetzt werden kann.

Siehe bitte auch die erschienenen Pressemitteilungen.

Wir gratulieren unserem Abteilungsmitglied Yuri ganz herzlich zu dieser hohen wissenschaftlichen Auszeichnung!
Die Verleihung des "CAS Visiting Professorships for Senior International Scientists" fand am 18.06.2010 im Institute of Modern Physics (IMP) der Chinese Academy of Sciences statt.

Nähere Informationen zur Verleihung der Auszeichnung auf der CAS Website ... >

In einem kürzlich in Phys. Rev. Lett. erschienenen Artikel berichten B. Cheal et al. über Präzisionsmessungen mittels kollinearer Laserspektroskopie an Ga-Isotopen (Z = 31) an ISOLDE , CERN. Um die Messungen auf sehr neutronenreiche Ga-Isotope (N = 36-50) auszudehnen, wurde eine gasgefüllte lineare Paulfalle (ISCOOL) eingesetzt.

Es wurden die Kernspins sowie die magnetischen Dipol- und elektrischen Quadrupolmomente der Ga-Isotope mit ungerader Massenzahl A im Bereich A = 67-81 gemessen. Die anomalen Spins des Grundzustands von ⁷³Ga (I = 1/2) und ⁸¹Ga (I = 5/2) und der Vorzeichenwechsel bei den Quadrupolmomenten von ^75,77,79Ga deuten auf eine Änderung in der Schalenstruktur von Ga ab N = 42 hin.

M. Dworschak et al. berichten in einem aktuellen Phys. Rev. C Artikel von präzisen Massenmessungen an den drei Nobeliumisotopen ^252–254No. Die Messungen wurden am Penningfallen-Massenspektrometer SHIPTRAP  an der GSI Darmstadt durchgeführt. Diese ersten direkten Massenmessungen von Transuranen lieferten eindeutige Grundzustandsmassenwerte, die unabhängig von der Kenntnis der Kernenergieniveaus sind.

Die Ergebnisse von SHIPTRAP bestätigen für alle drei Nobeliumisotope die früher bestimmten Massen und zeigen damit, dass alle angenommenen α-Zerfallsschemata korrekt waren. Zudem konnten die meisten Massewerte der AME 2003 , die aus Zerfallsenergien bestimmt wurden, leicht verbessert werden. Das Gebiet der wohlbekannten Massewerte wurde erstmals in die Region der Transurane ausgedehnt und damit eine weitere Annäherung an die angenommene Insel der Stabilität erreicht. Die erfolgreichen direkten Massemessungen mit SHIPTRAP sollen künftig auf Nuklide mit höherer Kernladungszahl Z ausgedehnt werden.

In einem soeben in Review of Scientific Instruments veröffentlichten Artikel berichten M. Lange et al. über die Realisierung und den Einsatz einer linearen elektrostatischen Ionenstrahlfalle für schnelle Ionenstrahlen. Es wurde flüssiges Helium zur Kühlung eingesetzt, um eine extrem niedrige Schwarzkörperstrahlungstemperatur und Restgasdichte zu erreichen, was lange Speicherzeiten von über 5 min ermöglichte, die zuvor für keV-Ionenstrahlen noch nie erreicht wurden.

In einer Strahlröhre, die auf Temperaturen <15 K, an einigen Stellen auf 1.8 K, gekühlt werden kann, kann ein Ionenstrahlpuls bei kinetischen Energien von 2-20 keV zwischen zwei elektrostatischen Spiegeln gespeichert werden. Im Artikel wird eine Übersicht des kryogenen Fallendesigns und eine Messung der Restgasdichte in der Falle dargestellt. Der erhaltene Dichtewert von nur 2·10³ cm^-3 entspricht für eine Raumtemperaturumgebung einem Druck in der Größenordnung von 10^-14 mbar.

Das als cryogenic trap for fast ion beams (CTF)  bezeichnete Gerät wird jetzt zur Erforschung von Molekülen und Clustern bei niedrigen Temperaturen eingesetzt. Außerdem diente es als Designprototyp für den kryogenen Schwerionenspeicherring, der zurzeit am Max-Planck-Institut für Kernphysik aufgebaut wird.

In einem gerade im Eur. Phys. J. D veröffentlichten Artikel berichten J. Ketelaer et al. über Präzisionsstudien an TRIGA-TRAP. TRIGA-TRAP ist ein Doppel-Penningfallen Massenspektrometer für kurzlebige Nuklide am TRIGA Forschungsreaktor der Universität Mainz  als Teil des TRIGA-SPEC Spektroskopie-Projekts.

Massenwerte unterschiedlicher Genauigkeit sind in vielen Bereichen der Physik von Bedeutung. Die größte Präzision erreicht man, indem man die Massenmessung in eine Frequenzmessung überführt. An TRIGA-TRAP wird die Ionenmasse durch die Messung der Zyklotronfrequenz des gespeicherten Ions mittels Flugzeit-Resonanz-Nachweismethode (TOF-ICR) bestimmt. Zur Bestimmung des Magnetfelds in der Falle werden Kohlenstoffclusterionen als ideale Referenzionen eingesetzt. An TRIGA-TRAP wurden umfangreiche Querverweis-Messungen von bereits bekannten Frequenzverhältnissen unter Verwendung von Kohlenstoffclusterionen ¹²C_n⁺ unterschiedlicher Größe (10<=n<=23) durchgeführt, um die Unsicherheiten für Massenmessungen zu bestimmen. Magnetfeldfluktuationen bewirken eine Unsicherheit im Frequenzverhältnis, außerdem wurde eine systematische massenabhängige Verschiebung des Frequenzverhältnisses beobachtet.

In der ersten Massenmessung an TRIGA-TRAP wurde das Frequenzverhältnis zwischen dem Referenzion ¹²C₁₆⁺ und ¹⁹⁷Au⁺ bestimmt. Da die Massenunsicherheit von ¹⁹⁷Au nur 0.6 keV beträgt, eignet sich dieses Isotop neben den Kohlenstoffclusterionen zur Überprüfung der Genauigkeit gemessener Massen.

In einem kürzlich im Journal of Physics G veröffentlichten Leitartikel  (d.h. einem IOP-Artikel von großem Interesse) berichten M. Žáková et al. über Isotopieverschiebungsmessungen im 2s_1/2 -> 2p_3/2 Übergang von Be⁺-Ionen mit einer Genauigkeit von 2 MHz.

Die Messungen wurden am on-line isotope separator (ISOLDE) am CERN mittels fortgeschrittener kollinearer Laserspektroskopie mit zwei gegenläufigen Laserstrahlen durchgeführt. Aus der Isotopieverschiebung zwischen ⁹Be und ^7,10,11Be, hochpräzisen Massenänderungsberechnungen und dem Ladungsradius des Referenzisotops ⁹Be wurden die Kernladungsradien der Isotope ^7,10Be und des Ein-Neutronen-Halokerns ¹¹Be bestimmt. Die erhaltene Abnahme der Ladungsradien von ⁷Be zu ¹⁰Be lässt sich durch die Clusterstruktur der Kerne erklären. Die Zunahme von ¹⁰Be zu ¹¹Be wird hauptsächlich durch die Schwerpunktsbewegung des ¹⁰Be-Kerns bewirkt, die vom Halo-Neutron hervorgerufen wird.

Abteilungsdirektor Klaus Blaum wurde für seine herausragende wissenschaftliche Arbeit zum Preisträger des GENCO Membership Award 2010 gewählt. Die GENCO Award Session findet am 4. März 2010 während des NUSTAR Annual Meeting 2010 statt.

Hauptziel der GSI Exotic Nuclei Community (GENCO) ist es, junge Wissenschaftler für ihre hervorragenden Forschungsleistungen im Bereich der Kernphysik, der nuklearen Astrophysik sowie damit eng verknüpften Forschungsfeldern auszuzeichnen. Neben der Auszeichnung junger Wissenschaftler werden in jedem Jahr auch führende Forscher für die GENCO-Mitgliedschaft gewählt. Präsident der GSI Exotic Nuclei Community ist Prof. G. Münzenberg (GSI). Für weitere Informationen besuchen Sie bitte die GENCO Website .

In einem kürzlich in Contemporary Physics veröffentlichten Übersichtsartikel zeigen Klaus Blaum, Yuri Novikov und Günter Werth die Wichtigkeit der Penningfallen-Massenspektrometrie für grundlegende Probleme der modernen Physik auf.

Zunächst werden die Grundlagen hochpräziser Penningfallen-Massenmessungen beschrieben. Der dreidimensionale elektromagnetische Einschluss der Teilchen in einer Penningfalle wird durch die Überlagerung eines starken homogenen magnetischen Feldes und eines schwachen elektrostatischen Quadrupolfeldes erreicht. Zur Reduzierung der Effekte der Unvollkommenheiten dieser Fallenfelder werden die gespeicherten Teilchen in der Falle gekühlt. Im Artikel werden die unterschiedlichen einsetzbaren Kühlmethoden wie z.B. das Puffergaskühlen und das Laserkühlen angesprochen, ebenso die Teilchenmanipulation in der Falle.

Massenmessungen in einer Penningfalle beruhen auf der Tatsache, dass das Verhältnis der Zyklotronfrequenzen zweier Teilchen gleicher Ladung im gleichen Magnetfeld gleich ihrem Masseverhältnis ist. Es werden die wesentlichen Techniken der Zyklotronfrequenzmessung, die destruktive Flugzeitmethode (TOF) und die nichtdestruktive Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance method (FT-ICR), beschrieben.

Penningfallenmethoden und- techniken sind kontinuierlich verbessert worden, um die Messgenauigkeit zu erhöhen und neue Anwendungsfelder zu erschließen. Die erforderliche Genauigkeit von Massenmessungen beginnt bei 10^-6 für Teilchenidentifizierung (z.B. Isobarentrennung) und geht bis zu unter 10^-11 für Probleme der Grundlagenphysik (z.B. Separation atomarer Zustände).

Moderne Penningfallen werden zur Überprüfung des Standardmodells (d.h. Quantenchromodynamik QCD und elektroschwacher Theorie) im Niedrigenergiebereich eingesetzt. Insbesondere kann die exakte Bestimmung von Fundamentalkonstanten, beispielsweise der Feinstrukturkonstante α, wichtige Informationen liefern. Ziel ist es, die Messgenauigkeit zu erhöhen, um die Zeitabhängigkeit der Fundamentalkonstanten zu untersuchen. Ferner liefern durch Penningfallen-Messungen gewonnene präzise Atommassenwerte Informationen über die postulierte Unitarität der CKM Quark-Mixing-Matrix.

Mit Penningfallenspektrometrie lässt sich die Quantenelektrodynamik (QED) überprüfen, beispielsweise durch eine g-Faktor-Messung des freien und des gebundenen Elektrons. Genaue Messungen der g-Faktor-Differenz von Elektron und Positron sowie der Massendifferenz von Proton und Antiproton ermöglichen die Überprüfung des CPT-Theorems und haben die CPT-Erhaltung bisher bestätigt.

Exakte Massenmessungen liefern einen Test von Einsteins Energie-Masse-Relation E = mc² und stellen präzise Atommassendifferenzen zur Bestimmung der Neutrinomasse zur Verfügung.

Damit selbst radioaktive Kerne in Penningfallen untersucht werden können, müsse diese on-line an der Anlage, die diese geladenen Teilchen produziert, installiert werden. Der Artikel widmet sich den wichtigen on-line Penningfallen an ISOL- (z.B. ISOLTRAP  an ISOLDE, CERN, Genf) bzw. In-Flight-Anlagen (z.B. SHIPTRAP  an UNILAC, GSI/Darmstadt).

Penningfallen finden auch breiten Einsatz in der Erforschung von Phänomenen der Kern- und nuklearen Astrophysik, etwa bei der Kartierung der Massen instabiler exotischer Nuklide.

Mitglieder unserer Abteilung waren an den ersten direkten Massenmessungen der Nobelium-Iostope 252–254No beteiligt, die innerhalb einer internationalen Kollaboration unter der Leitung der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung  in Darmstadt durchgeführt wurden. Die Ergebnisse dieses ersten Vorstoßes in die Region der Transurane sind soeben in der renommierten Wissenschaftszeitschrift "Nature"  veröffentlicht worden.

Superschwere Elemente jenseits Uran, dem schwersten natürlich vorkommenden Element, können im Labor erzeugt und beobachtet werden. Alle diese sogenannten Transurane sind instabil, konkurrierende theoretische Modelle sagen jedoch die Existenz von noch schwereren Elementen voraus, die dennoch stabil sind. Diese Region der Nuklidkarte wird als "Insel der Stabilität" bezeichnet. Falls diese Insel entdeckt werden würde, könnten die Physiker insbesondere mehr darüber lernen, wie die schweren Elemente bis zum Uran durch stellare Nukleosynthese entstanden sind.

Aufgrund der Einsteinschen Masse-Energie-Äquivalenz ermöglichen präzise Massenmessungen eine genaue Bestimmung der Kernbindungsenergie, welche für die Stabilität eines Atomkerns entscheidend ist. Daher liefern diese Messungen einen wichtigen Test für die konkurrierenden theoretischen Modelle und deren verschiedenen Voraussagen für die Lage der Insel der Stabilität.

Bislang stammt unser Wissen über die Bindungsenergie superschwerer Kerne ausschließlich aus dem Nachweis ihrer Zerfallsprodukte. Diese indirekte Methode ist mit erheblichen Unsicherheiten behaftet und die direkten hochpräzisen Massenmessungen mittels Penningfallen bedeuten eine Verbesserung der Genauigkeit von bis zu einem Faktor zehn. Jüngst wurden mit dem Doppel-Penningfallen-Massenspektrometer SHIPTRAP  an der GSI die ersten direkten hochpräzisen Massenmessungen der Nobelium-Isotope 252–254No durchgeführt. Dabei kam eine destruktive Flugzeitmethode zur Messung der Zyklotronfrequenz der Ionen zum Einsatz, über die die Ionenmasse bestimmt wurde.

Die mit SHIPTRAP erhaltenen Massenwerte für 252–254No stimmen innerhalb ihrer Unsicherheit mit den AME2003-Daten  überein, die aus Spektroskopie-Daten von No-Zerfällen gewonnen wurden. Diese bestätigten Nobeliummassen dienen als präzise Referenzpunkte in der Masseregion zwischen Uran und der prognostizierten Insel der Stabilität. Im Gegensatz zu den indirekten, auf die Auswertung von Zerfällen gestützten Methoden, kann die neue direkte Methode der Massenmessung auch bei sehr langlebigen superschweren Elementen eingesetzt werden und gestattet somit den Nachweis von Nukliden der Insel der Stabilität.

Es ist geplant, die präzisen direkten Massenbestimmungen an SHIPTRAP auf die Region der Transactinoide auszudehnen. Außerdem soll der verwendete Ionennachweis durch den Einsatz der nicht-destruktiven Fourier Transform-Ion Cyclotron Resonance (FT-ICR) Nachweismethode weiter verbessert werden. Dadurch werden Massenmessungen von einzelnen superschweren Nukliden mit Produktionsraten von weniger als einem Ion pro Stunde möglich sein.

Weitere Informationen finden Sie im "Nature"-Artikel , in der MPG-Meldung  und in den Pressemitteilungen zu den erfolgreichen präzisen Massenmessungen superschwerer Atomkerne.