Nachrichten-Archiv 2011

Warum negativ geladene Wasserstoffmoleküle (H₂^–-Ionen) für einige Mikrosekunden existieren können, obwohl das auf den ersten Blick ziemlich unmöglich erscheint, haben Experimente der Gruppe "Molekulare Quantendynamik und gespeicherte Ionenstrahlen" von Andreas Wolf gezeigt. Diese Molekülionen rotieren schnell, sind enorm groß und zerfallen schließlich zu neutralen Wasserstoffmolekülen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Physical Review Letters veröffentlicht. Sie bestätigen theoretische Vorhersagen.

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Die Flugzeit (TOF) Ionen-Zyklotron-Resonanz (ICR) Technik zur Bestimmung der Masse kurzlebiger Nuklide ist vor kurzem verbessert worden, indem die Quadrupolanregung durch eine Oktupolanregung der Ionenbewegung ersetzt wurde. In einem soeben in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel präsentieren S. Eliseev et al. erstmals eine analytische Beschreibung dieser neuen Oktupoltechnik und berichten über ihren Einsatz bei einer direkten Bestimmung des Massenverhältnisses des Massendubletts ¹⁶⁴Er-¹⁶⁴Dy mittels Penningfalle.
Die neue Technik lieferte eine Verbesserung des Auflösungsvermögens um mehr als eine Größenordnung und ermöglichte hierdurch die simultane Messung der Zyklotronfrequenzen von ¹⁶⁴Dy⁺ und ¹⁶⁴Er⁺. ¹⁶⁴Er ist ein vielversprechender Kandidat für die Suche nach dem neutrinolosen doppelten Elektroneneinfang. Die Beobachtung dieses neutrinolosen Übergangs würde belegen, dass das Neutrino ein Majorana-Teilchen ist. Dem gemessenen Q_ee-Wert von 25.07(12) keV für ¹⁶⁴Er entspricht eine Halbwertszeit von 1030 Jahren für ein Majorana-Neutrino mit 1 eV Masse.

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In einem soeben in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichten S. Sturm et al. über die Entwicklung einer neuartigen Technik zur phasensensitiven Messung der modifizierten Zyklotronfrequenz eines Ions in einer Penningfalle bei Energien nahe des thermischen Kühllimits. Bei solch extrem niedrigen Energien können systematische Frequenzverschiebungen in den meisten Fällen vernachlässigt werden und es sind Messungen der Zyklotronfrequenz mit einer Unsicherheit im Bereich von 1 ppt (10^-12) möglich. Das bei den beschriebenen Untersuchungen eingesetzte experimentelle Setup besteht aus einer zylindrischen Penningfalle, die Teil eines Triple-Trap-Systems ist, in dem wasserstoffähnliche Ionen für nahezu unbegrenzte Zeit unter kontrollierten Bedingungen in einem kleinen Raumvolumen gespeichert werden können.

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In "Journal of Physics: Conference Series" wurde kürzlich der Konferenzband der letztjährigen "International Nuclear Physics Conference 2010" (INPC2010 ) veröffentlicht.

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Penningfallen bieten einzigartige Möglichkeiten zur Untersuchung einzelner geladener Teilchen unter wohldefinierten, kontrollierbaren experimentellen Bedingungen. Durch den Einsatz von Penningfallen können die Eigenschaften geladener Teilchen und deren Antiteilchen mit extrem hoher Präzision verglichen werden, was strenge Tests der Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie ermöglicht. Der genaueste direkte Test von Einsteins berühmter Gleichung E = mc² basiert auf Penningfallen-Experimenten.

In einem soeben in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel beschreiben S. Ulmer et al. ein neuartiges Messverfahren zur direkten Bestimmung der freien Zyklotronfrequenz ν_c eines einzelnen in einer Penningfalle gespeicherten Teilchens. Ziel des Experiments ist die Messung des g Faktors des Protons g_p und des Antiprotons in einer kryogenen Penningfalle mit Hilfe des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts. Die eingesetzte Methode basiert auf den "bekleideten" Zuständen der Modenkopplung. In diesem neuen Messverfahren sind beide radialen Schwingungsmoden des gefangenen Protons gleichzeitig an die axiale Bewegungsmode gekoppelt. Dies wurde zuvor noch nie gezeigt.

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Kürzlich wurde in Hyperfine Interactions der Konferenzband der letztjährigen "International Conference on Trapped Charged Particles and Fundamental Physics" (TCP2010 ) veröffentlicht. Unsere Abteilung hat insgesamt neun Artikel dazu beigetragen.

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Wir wissen bereits, dass Neutrinos massive Teilchen sind, wir wissen jedoch immer noch nicht, ob das Neutrino ein Dirac- oder ein Majorana-Teilchen ist. Bisher war der einzig mögliche Weg zur Überprüfung, ob Neutrinos Majorana-Teilchen sind, die Beobachtung von neutrinolosen doppelten Beta-Transformationen, wie z.B. dem neutrinolosen doppelten Betazerfall, der die größte Wahrscheinlichkeit aufweist. Es gibt allerdings einige Spezialfälle, in denen eine starke resonante Verstärkung der Wahrscheinlichkeit für den neutrinolosen doppelten Elektroneneinfang erwartet wird. Die wesentliche Unsicherheit bei der Bestimmung der Resonanzbedingungen liegt in der unzureichenden Kenntnis des Q_ee-Werts. Diese kann mit Hilfe der hochpräzisen Penningfallen-Massenspektrometrie überwunden werden.

In einem soeben in Physical Review C veröffentlichten Artikel berichten S. Eliseev et al. über hochpräzise Messungen der Atommassendifferenzen zwischen den Nukliden ¹⁵⁶Dy und ¹⁵⁶Gd. Die Messungen wurden mit dem Penningfallen-Massenspektrometer SHIPTRAP  an der GSI Darmstadt durchgeführt. Es konnte eine Überlagerung mehrerer Resonanzzustände im neutrinolosen doppelten Elektroneneinfang in ¹⁵⁶Dy beobachtet werden. Dieses einzigartige Phänomen kann dabei helfen, die Mechanismen zu beleuchten, die dem neutrinolosen doppelten Elektroneneinfang zu Grunde liegen. Die Beobachtung dieses Prozesses würde belegen, dass das Neutrino ein Majorana-Teilchen ist.

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Die ersten wissenschaftlichen Resultate von Massenmessungen an TRIGA-TRAP wurden in dieser Woche in der renommierten Zeitschrift Physical Review C veröffentlicht. Dabei handelt es sich um Massenmessungen an stabilen isotopen der seltenen Erden, insbesondere Gd und Hf Isotopen, bei denen signifikante systematische Abweichungen gegenüber den Werten in der Datenbank der Atommassen (Atomic Mass Evaluation, AME) beobachtet wurden. Diese Messungen wurden mit einer Quelle für stabile Isotope durchgeführt und werden derzeit noch auf andere seltene Erden ausgedehnt. Gleichzeitig wird die Kopplung von TRIGA-TRAP mit dem TRIGA-Reaktor  im Rahmen der TRIGA-SPEC Kollaboration vorangetrieben.

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In einem soeben in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichten S. Sturm et al. über die Bestimmung des g-Faktors des in wasserstoffähnlichem ²⁸Si¹³⁺ gebundenen Elektrons. Hierzu wurde ein einzelnes Ion in einer zylindrischen Penningfalle gefangen und aus dem Verhältnis seiner Zyklotronfrequenz und der Frequenz des induzierten Spin-Flip-Übergangs ein Wert von g = 1.995 348 958 7(5)(3)(8) bestimmt.
Bisherige Messungen waren auf das Gebiet der leichten Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff beschränkt. Die Ausdehnung auf schwerere Systeme wie Silicium liefert neue Einblicke in physikalische Grundlagen.
Die exzellente Übereinstimmung zwischen dem neuen experimentellen und dem aktuellsten theoretischen Wert von g = 1.995 348 958 0(17) ist der zur Zeit genaueste Test der QED-Berechnungen gebundener Zustände (BS-QED) in starken Feldern. Es werden erstmals bislang nicht berechnete Werte von Zwei-Schleifen-Beiträgen höherer Ordnung sichtbar.

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In einem soeben in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichten S. Ulmer et al. über die erstmalige Beobachtung von Spin-Quantensprüngen eines einzelnen gepeicherten Protons. Dies ist ein entscheidender Durchbruch auf dem Weg zu einem neuen hochpräzisen Test der Materie-Antimaterie-Symmetrie durch den direkten hochpräzisen Vergleich der magnetischen Momente des Protons und des Antiprotons.
Das Experiment wird in einer kryogenen Doppel-Penningfalle durchgeführt. In solchen Systemen können Protonen beliebig lange gespeichert werden. Durch eine Hochfrequenzanregung werden Spin-Quantensprünge induziert und mittels des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts zerstörungsfrei beobachtet. Hierzu wird das einzelne Proton in einer Penningfalle mit einer sehr starken magnetischen Inhomogenität gespeichert. Das Umklappen des Spins ändert die axiale Frequenz des gespeicherten Protons um 3/10 000 000. Diese winzigen Frequenzänderungen, nur 190 mHz aus 674 kHz, wurden eindeutig nachgewiesen, was die erste direkte Beobachtung von Spin-Quantensprüngen eines einzelnen Protons unmittelbar belegt.
Durch die erfolgreiche Erfassung dieser schwer zu gewinnenden Daten haben die Autoren die wissenschaftlichen Konkurrenten von der Harvard Universität überholt und sind nun weltweit führend auf diesem Gebiet.

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Der Artikel wurde für einen sog. Viewpoint in Physics ausgewählt. Bitte lesen Sie auch den Standpunkt zum Artikel von Edmund G. Myers (Florida State University): pdf, 399 KB  oder Webseite .

In einem soeben in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichten E. Haettner et al. über neue Massenmessungen von zehn protonenreichen Nukliden, einschließlich der N = Z + 1 Nuklide ⁸⁵Mo und ⁸⁷Tc. Die Experimente wurden mit dem Penningfallen-Massenspektrometer SHIPTRAP  durchgeführt. Dabei konnte der Bereich bisheriger Messungen von N = Z + 1 Nukliden an anderen Anlagen weiter ausgedehnt werden. Daher stellt diese Arbeit einen Meilenstein auf dem Weg zu hochpräzisen Massenmessungen der schweren N = Z Nuklide, wie beispielsweise ⁸⁰Zr und ⁸⁴Mo, dar.
Die Ergebnisse zeigen im Vergleich mit den Werten der Atomic Mass Evaluation 2003 eine systematische Verschiebung der Massenoberfläche um bis zu 1.6 MeV in Richtung der weniger gebundenen Kerne. Dies bewirkt signifikante Häufigkeitsänderungen in der Asche von astrophysikalischen Röntgenblitzen.
Erstaunlich niedrige Alpha-Separationsenergien (S_α) wurden für neutronenarmes Mo und Tc gefunden, wodurch die Entstehung eines ZrNb-Zyklus im rp-Prozess möglich wird. Ein solcher Zyklus würde ein oberes Temperaturlimit für die Elementsynthese im rp-Prozess jenseits von Nb erzwingen.

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In einem kürzlich in Phys. Rev. Lett. veröffentlichten Artikel berichten X. L. Tu et al. von den ersten direkten Massenmessungen an den kurzlebigen A = 2Z - 1 Kernen ⁶³Ge, ⁶⁵As, ⁶⁷Se, und ⁷¹Kr mittels einer neuen Anwendung der Massenspektrometrie in Speicherringen. Das Experiment wurde am Cooler-Storage Ring at the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, HIRFL-CSR , durchgeführt.

Präzise Massenwerte für die Nuklide entlang des rp-Prozess-Pfads sind für den Vergleich von Modellen und Beobachtung erforderlich. Der schnelle Protoneneinfang (rp-Prozess) ist eine Abfolge von Protoneneinfängen und β⁺-Zerfällen nahe der Protonenabbruchkante. An sog. Wartepunkten ist der Protoneneinfang effektiv unterdrückt und der rp-Prozess muss über den langsamen β⁺-Zerfall weiterlaufen. Drei zentrale Wartepunkte wurden identifiziert: ⁶⁴Ge, ⁶⁸Se, und ⁷²Kr. Ihre erwarteten langen Halbwertszeiten liefern die Erklärung für die Beobachtung verlängerter Schweife in den Lichtkurven zahlreicher Röntgenstrahlen-Ausbrüche. Da alle β⁺ Halbwertszeiten bekannt sind, wird die Protonenseparationsenergie (S_p), die sich aus dem Massenexzess herleiten lässt, zum entscheidenden Parameter.
⁶⁴Ge ist der wichtigste mögliche Wartepunkt, da er als erster auftritt. Um zu klären, in welchem Maße ⁶⁴Ge ein Wartepunkt ist, muss S_p (⁶⁵As) präzise gemessen werden. Das exotische ⁶⁵As war bislang für Penningfallen-Massenmessungen außer Reichweite und konnte jetzt erstmals gemessen werden. Modellrechnungen zu Röntgenstrahlen-Ausbrüchen, die den neuen Wert für den Massenexzess von ⁶⁵As verwenden, legen nahe, dass ⁶⁴Ge kein signifikanter Wartepunkt des rp-Prozesses ist.

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Neutrinooszillationen zeigen uns, dass Neutrinos massive Teilchen sind, wir wissen jedoch immer noch nicht, ob das Neutrino ein Dirac- oder ein Majorana-Teilchen ist. Eine Antwort auf diese seit langem bestehende Frage liegt in der Suche nach neutrinolosen doppelten Beta-Transformationen, wie z.B. dem neutrinolosen doppelten Elektroneneinfang. Die Beobachtung dieses Prozesses würde belegen, dass das Neutrino ein Majorana-Teilchen ist.

In einem kürzlich in Phys. Rev. Lett. veröffentlichten Artikel berichten S. Eliseev et al. von der Bestimmung des Q-Werts von ¹⁵²Gd mittels SHIPTRAP  an der GSI Darmstadt. Hierzu wurde eine präzise direkte Messung des Verhältnisses der Zyklotronfrequenzen der einfach geladenen Ionen von ¹⁵²Sm und ¹⁵²Gd mit einer Flugzeit Ionen Zyklotron Resonanztechnik durchgeführt. Aus dem Frequenzverhältnis lässt sich der Q_ee-Wert von ¹⁵²Gd berechnen. Der Q_ee-Wert des doppelten 0⁺ -> 0⁺ Elektronenübergangs zwischen den Grundzuständen von ¹⁵²Gd und ¹⁵²Sm wurde zu 55.70(18) keV bestimmt. Dieser Q_ee-Wert ergibt für eine Neutrinomasse von 1 eV eine Halbwertszeit von 1026 Jahren. Mit dieser kürzesten Halbwertszeit unter den bekannten neutrinolosen doppelten Beta-Transformationen ist ¹⁵²Gd ein vielversprechender Kandidat für die Suche nach dem neutrinolosen doppelten Elektroneneinfang.

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