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Nachrichten-Archiv 2019

26.11.19 | Präzisionsmessungen
Das KATRIN-Experiment grenzt die Masse der Neutrinos weiter ein

Im Jahr 1930 postulierte Wolfgang Pauli für die Erklärung des β-Zerfalls ein neues neutrales Teilchen. Enrico Fermi bezeichnete es 1933 als "Neutrino" und 1956 konnte schließlich die Existenz von Neutrinos experimentell nachgewiesen werden. Neutrinos sind nach den Photonen die häufigsten Elementarteilchen im Universum. Etwa hundert Billionen Neutrinos durchqueren jeden Menschen pro Sekunde.
Lange Zeit dachte man, dass Neutrinos masselos sind, bis Experimente zwischen 1997 und 2002 zeigten, dass Neutrinos ihren Flavour (Elektron-, Myon- oder Tau-Neutrino) periodisch ändern. Der Theorie zufolge ist diese so genannte Neutrinooszillation nur möglich, wenn Neutrinos eine Masse besitzen.
Bislang konnten nur Obergrenzen für die Neutrinomasse bestimmt werden, die bestätigen, dass sie sehr klein ist, aber nicht Null, im Gegensatz zur Vorhersage des aktuellen Standardmodells der Teilchenphysik. Daher spielen die Neutrinos und ihre kleinen von Null verschiedenen Massen eine bedeutende Rolle in der Evolution von großen Strukturen im Kosmos sowie in der Welt der Elementarteilchen, wo ihre kleine Massenskala auf eine neue Physik jenseits der bekannten Theorien hinweist.
Die einzige modellunabhängige Möglichkeit zur Bestimmung der absoluten Neutrinomassen sind Präzisionsmessungen der Kinematik der schwachen Wechselwirkungen. Der β-Zerfall von 3H (Tritium) in 3He ist der vielversprechendste Kandidat für die absolute Bestimmung der Neutrinomasse. Eine Neutrinomasse größer Null modifiziert die Form des Energiespektrums der emittierten β-Elektronen in der Nähe des hochenergetischen Endpunkts. Das KArlsruhe TRItium Neutrino (KATRIN) Experiment external Link am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde zur direkten Messung der Masse des Elektron-Antineutrinos mit einer Empfindlichkeit von 0.2 eV/c2 entworfen.

In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel präsentiert die KATRIN-Kollaboration, bestehend aus 20 Institutionen aus 7 Ländern, die Ergebnisse eines ersten vier Wochen dauernden Science Run im Frühling 2019. Während dieser Messkampagne wurden Hochstatistik-Energiespektren von Elektronen aus dem Tritium β-Zerfall aufgenommen. Anschließend arbeiteten drei internationale Analyseteams getrennt voneinander daran, das erste KATRIN-Ergebnis zur Neutrinomasse zu extrahieren. Keines der Teams verfügte über die vollständige Information, um vorzeitig die Neutrinomasse vor dem letzten Analyseschritt ableiten zu können. Mitte Juli 2019 trafen sich die Analysten zu einem einwöchigen Workshop am KIT, um ihre letzten Schritte zu koordinieren. Ihre Analyseprogramme lieferten schließlich unabhängig voneinander dieselben Resultate. Sie grenzen die absolute Neutrinomasse mit einem Konfidenzniveau von 90% auf einen Wert kleiner 1.1 Elektronenvolt (eV)/c2 ein. Folglich wiegen eine halbe Million Neutrinos weniger als ein Elektron, das zweitleichteste Elementarteilchen.

Mit der Feststellung der weltweit führenden Obergrenze für die Neutrinomasse, hat das KATRIN-Experiment seinen ersten erfolgreichen Schritt zur Aufklärung noch unbekannter Neutrinoeigenschaften gemacht. Die KATRIN-Kollaboration rechnet mit weiteren signifikanten Verbesserungen der Neutrinomassen-Sensitivität und bei der Suche nach neuartigen Effekten jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Der Artikel wurde für einen sog. Viewpoint in Physics ausgewählt. Bitte lesen Sie auch den Viewpoint zum Artikel external Link von R. Brugnera.

Weitere Pressemitteilungen:

13.11.19 | Präzisionsmessungen
Erste experimentelle Schranken auf die Kopplungsstärke von Antimaterie mit Dunkler Materie

Die Betrachtung des Sternenhimmels hat die Menschen seit jeher fasziniert und dazu angeregt, grundlegende Gesetzmäßigkeiten hinter ihren Beobachtungen zu finden, um die Phänomene erklären und vorhersagen zu können. Erst im 20. Jahrhundert wurde den Forschern jedoch klar, dass die Sterne und anderen sichtbaren astronomischen Objekte aus gewöhnlicher Materie bestehen und somit den bereits bekannten physikalischen Gesetzen gehorchen. Anfang der 1930er Jahre postulierten die Astronomen Jan Hendrik Oort und Fritz Zwicky die Existenz nicht sichtbarer ("dunkler") gewöhnlicher Materie zur Erklärung einiger neuer astronomischer Beobachtungen. Aber erst ab den 1960er Jahren wurde durch Analysen der Dynamik von Galaxien erkannt, dass es neben der uns bekannten sichtbaren "baryonischen" Materie etwa fünfmal soviel sogenannte "Dunkle Materie" im Universum geben muss. Zur Erklärung der beobachteten beschleunigten Expansion des Universums, wird seit den 1990er Jahren zudem die Existenz einer sogenannten "Dunklen Energie" angenommen, die ca. 70% der Energiedichte des Universums ausmacht.

Die mikroskopischen Eigenschaften von "Dunkler Materie" und "Dunkler Energie" sind bis heute unbekannt. Viele Physiker nehmen an, dass Dunkle-Materie-Teilchen elektrisch neutral sind und mit normaler Materie nur schwach wechselwirken. Ein Kandidat für die Dunkle Materie sind die sogenannten Axionen. Diese leichten spinlosen Bosonen wurden bereits 1977 als hypothetische Teilchen eingeführt, um zu erklären, weshalb die starke Wechselwirkung offenbar komplett symmetrisch ist, während die schwache Wechselwirkung sehr viel Symmetriebrechung beinhaltet.
Weder Axionen noch andere hypothetische Teilchen konnten bisher experimentell als Dunkle-Materie-Teilchen nachgewiesen werden. Aber nicht nur die Natur der Dunklen Materie und Dunklen Energie ist unverstanden. Sogar die Materie-Antimaterie-Asymmetrie der gewöhnlichen sichtbaren Materie, die etwa 5% der gesamten Energiedichte des Universums ausmacht, konnte bislang noch nicht konsistent erklärt werden.

Gegenwärtig fehlen direkte Informationen zur Stärke der Wechselwirkung zwischen Axionen und Antimaterie. Der fundamentalen und bisher stets experimentell bestätigten CPT-Symmetrie (C: Ladung, P: Parität, T: Zeit) des Standardmodells zufolge, besitzen Teilchen und Antiteilchen gleiche Kopplungsstärken. Falls z. B. Antiprotonen stärker an Axionen bzw. axionartige Teilchen (axion-like particles, ALPs) koppeln als Protonen, könnte diese unterschiedliche Kopplungsstärke bei Umkehr der Ladung C ("CPT-ungerade Kopplung") eine Verbindung zwischen der Dunklen Materie und der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum aufzeigen.

In einem kürzlich in "Nature" veröffentlichten Artikel berichten C. Smorra, die BASE-Kollaboration external Link und eine Forschungsgruppe des Helmholtz Instituts Mainz external Link über die direkte experimentelle Suche nach Wechselwirkungen zwischen Antimaterie und Dunkler Materie. Die Messungen wurden am Antiproton Decelerator (AD) external Link am CERN in Genf durchgeführt. Hierbei kam eine neuartige Zwei-Teilchen-Spektroskopiemethode in einem fortgeschrittenen kryogenen Multi-Penningfallen-System zum Einsatz. Für weitere Informationen zur verwendeten neuartigen Spektroskopiemethode siehe unsere Nachricht vom 18.10.17 sowie den zugehörigen "Nature"-Artikel (Nature 550, 371–374 (2017) external Link). Die aktuelle Studie sucht nach periodischen Änderungen der Präzessionsfrequenz des Antiprotonenspins als Signatur der Wechselwirkung mit Dunkler Materie. Die erhaltenen Resultate erlauben eine deutliche Eingrenzung der mögliche Stärke der Interaktion von ultraleichten axionartigen Teilchen mit Antiprotonen und sind um fünf Größenordnungen empfindlicher als Grenzen aus astrophysikalischen Beobachtungen.

Die Wechselwirkung von Fermionen, z. B. Antiprotonen, mit Axionen verursacht der Theorie zufolge eine Spinpräzession, analog der bekannten Präzession des Teilchenspins in einem äußeren Magnetfeld (Larmorpräzession). Diese durch ultraleichte Axionen induzierten Spinpräzessions-Effekte besitzen eine charakteristische Frequenz, die von der Masse des zugrundeliegenden Teilchens bestimmt wird. Daher lässt sich eine mögliche Kopplung zwischen Antiprotonen und Axionen durch eine Fourier-Analyse der Spin-Flip-Resonanzdaten eines einzelnen Antiprotons in einer Penningfalle nachweisen. Dabei wurde von den Forschern kein signifikanter Hinweis auf eine periodische Interaktion des Antiprotonen-Spins mit dem Axionenfeld gefunden.
Der Wechselwirkungsparameter der Axion-Antiproton-Wechselwirkung konnte auf Werte größer als 0.6 GeV eingegrenzt werden.
In der Zukunft möchte die BASE-Kollaboration mit genaueren Messungen der Präzessionsfrequenz des Antiprotonenspins die Limits auf die Kopplungsstärke zwischen Antiprotonen und Axionen noch empfindlicher machen. Auf die beschriebene Weise kann künftig auch nach Wechselwirkungseffekten von Axionen mit anderen Antiteilchen, z. B. Positronen und Antimyonen, gesucht werden.

Weitere Informationen finden Sie im "Nature"-Artikel external Link und dem zugehörigen Artikel in News & Views external Link.

Bitte lesen Sie auch die Pressemeldung des MPIK external Link.

Weitere Pressemitteilungen:

28.10.19 | Präzisionsmessungen
Verbesserung des experimentellen g-Faktors von lithiumartigem Silicium ermöglicht Test der QED gebundener Zustände

Die Messung des magnetischen Moments von geladenen Elementarteilchen und einfachen Systemen erlaubt strenge Tests fundamentaler physikalischer Theorien. Der g-Faktor beschreibt das Verhältnis des magnetischen Moments eines geladenen Teilchens zu dessen Gesamtdrehimpuls. Hochentwickelte Penningfallen-Systeme eigenen sich perfekt zur sehr präzisen Bestimmung der g-Faktoren gespeicherter hochgeladener Ionen.
Der Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit komplizierten theoretischen g-Faktor-Berechnungen liefert den strengsten Test der Quantenelektrodynamik gebundener Zustände (BS-QED) in Gegenwart eines Magnetfeldes. Außerdem gestatten präzise g-Faktor-Messungen die Bestimmung der Elektronenmasse, die eine zentrale Größe im Standardmodell der Teilchenphysik darstellt (siehe unsere Nachricht vom 20.02.14). Die genauen Werte fundamentaler Konstanten, z. B. der Feinstrukturkonstante α, hängen von der präzisen Kenntnis der Elektronenmasse ab.
Kerneffekte, z. B. der Kernrückstoßeffekt, stellen für die Genauigkeit theoretischer g-Faktoren eine ultimative Grenze dar. Im Jahr 2016 gelang der empfindlichste Test des Kernrückstoßeffekts in einem Magnetfeld (siehe unsere Nachricht vom 18.01.16). Die theoretischen Genauigkeitsgrenzen für die Berechnung von g-Faktoren und der Feinstrukturkonstante α lassen sich überwinden, indem man spezifische Differenzen der g-Faktoren von wasserstoffartigen und lithiumartigen bzw. borartigen Ionen untersucht. Im Jahr 2013 wurde der g-Faktor von lithiumartigem Silicium 28Si11+ mit einer relativen experimentellen Unsicherheit von 1.1·10-9 (siehe unsere Nachricht vom 16.01.13) und einer zugehörigen relativen theoretischen Unsicherheit von of 3·10-9 bestimmt. Im Jahr 2016 wurden die g-Faktoren der lithiumartigen Calcium-Isotope 40Ca17+ und 48Ca17+ mit einer um den Faktor 2 kleineren Unsicherheit (siehe unsere Nachricht vom 18.01.16) und einer zugehörigen relativen theoretischen Unsicherheit von 6·10-9 bestimmt.
Die für die g-Faktoren von lithiumartigen Silicium- und Calcium-Ionen erreichte Übereinstimmung zwischen Experiment und Theorie stellt den zwingendsten Test der Quantenelektrodynamik gebundener Zustände (BS-QED) von Mehrelektronensystemen in Gegenwart eines Magnetfeldes dar.

In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichten D. A. Glazov et al. über gleichzeitige experimentelle und theoretische Verbesserungen des g-Faktors von lithiumartigem Silicium. Die g-Faktor-Messung wurde an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz in einem Doppel-Penningfallen-System, bestehend aus einer Präzisionsfalle (PT) und einer räumlich getrennten Analysefalle (AT), durchgeführt. Die g-Faktor-Bestimmung von lithiumartigem Silicium basiert auf der Messung des Frequenzverhältnisses Γ ≡ νL/νc der Larmor-Präzessionsfrequenz (νL) und der Zyklotronfrequenz (νc) eines einzelnen in der Penningfalle gespeicherten 28Si11+-Ions.
Die Zyklotronfrequenz νc lässt sich aus den drei unabhängigen harmonischen Schwingungen νz, ν+ und ν- der Ionenbewegung in der Präzisionsfalle über die Brown-Gabrielse Invarianz-Relation bestimmen: νc = (ν+2 + νz2 + ν-2)1/2. Die Axialfrequenz νz kann über die Spiegelströme, die das Silicium-Ion in den Fallenelektroden induziert, nachgewiesen werden. Die reduzierte Zyklotronfrequenz ν+ und die Magnetronfrequenz ν- werden durch Seitenbandkopplung der radialen Schwingungsmoden an die Axialmode bestimmt, indem Signale im Radiofrequenzbereich bei ν+-νz bzw. νz+ν- eingestrahlt werden. Für die wichtige modifizierte Zyklotronfrequenz kommt die neuartige phasensensitive PnA (Pulse and Amplify) Nachweistechnik zum Einsatz.
Die Bestimmung der Larmor-Präzessionsfrequenz νL beruht auf dem zerstörungsfreien Nachweis von Spinübergängen (Spin-Flips) unter Ausnutzung des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts in der Analysefalle. Hierzu wird in der AT das homogene 3.8 T Magnetfeld der PT in ein inhomogenes Magnetfeld modifiziert. Die starke magnetische Inhomogenität (magnetische Flasche) koppelt die Spinrichtung an die Axialfrequenz νz des 28Si11+-Ions. Daher erzeugt ein Spin-Flip einen deutlich nachweisbaren Sprung der Axialfrequenz Δνz von etwa 260 mHz.
Aus dem bestimmten Frequenzverhältnis Γ des gespeicherten 28Si11+-Ions ergab sich ein experimenteller g-Faktor gexp = 2.00088988845(14) von lithiumartigem Silicium, mit einer relativen Unsicherheit von 7.0·10-11. Dies entspricht einer 15-fachen Verbesserung des bisherigen experimentellen g-Faktor-Werts.

Die begleitenden theoretischen Arbeiten lieferten einen theoretischen g-Faktor für 28Si11+ von gth = 2.0008898944(34), mit einer relativen Unsicherheit von 1.7·10-9. Dies ist eine 2-fache Verbesserung des bisherigen theoretischen g-Faktor-Werts. Die theoretische Unsicherheit wird überwiegend durch die Abschätzung der derzeit noch unbekannten 2-Schleifen-Beiträge von Feynman-Diagrammen der BS-QED von Mehrelektronensystemen bestimmt. Die Differenz zwischen gth und gexp ist 1.7-mal größer als diese Unsicherheit, was darauf hindeuten kann, dass diese Beiträge größer als die gegenwärtigen Abschätzungen sind.
Der neue experimentelle g-Faktor-Wert ist präzise genug, um die nicht-trivialen Anteile der 2-Schleifen-Beiträge der BS-QED von Mehrelektronensystemen mit einer Genauigkeit von einigen Prozent zu überprüfen, sobald deren Berechnung gelungen ist.

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20.09.19 | Präzisionsmessungen
Anwendung eines neuartigen Nachweisverfahrens für optische Übergänge in hochgeladenen Ionen mit ALPHATRAP

Hochgeladene Ionen (HCI) erlauben sehr wichtige und einzigartige Tests fundamentaler Theorien. Die Elektronen erfahren in HCI sehr starke elektromagnetische Felder und sind somit perfekt zum Test der Berechnungen der Quantenelektrodynamik gebundener Zustände (bound-state QED) in extremen Bedingungen sowie zum Test relativistischer Mehrteilchenwechselwirkungen und von Kerneffekten geeignet. Außerdem können in HCI die Hauptübergänge in den keV-Bereich verschoben sein, sodass Feinstruktur- und Hyperfeinstrukturübergänge für Laserspektroskopie zugänglich werden.
Die üblicherweise zur Erzeugung und Speicherung von HCI eingesetzten Apparate weisen Bedingungen auf, die eine hohe spektroskopische Präzision deutlich erschweren, beispielsweise hohe Temperaturen im Fall einer EBIT und hohe kinetische Energien in Speicherringen. Während in einigen Fällen traditionelle Fluoreszenzspektroskopie angewendet werden kann, besitzen in den meisten Fällen die verbotenen elektrischen Dipolübergänge lange Lebensdauern und somit zu niedrige Photonenausbeuten.

In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel präsentieren A. Egl et al. eine neuartige Technik, die es erlaubt, effizient nach schmalen verbotenen Übergängen zu suchen und Präzisionsspektroskopie der zugehörigen langlebigen Zustände durchzuführen. Zur Demonstration der neuen Nachweismethode wurde ein einzelnes 40Ar13+-Ion im kryogenen Penningfallen-System von ALPHATRAP am MPIK in Heidelberg gespeichert. ALPHATRAP ist ein Doppel-Penningfallen-System aus einer Präzisionsfalle (PT) und einer Analysefalle (AT). Es ermöglicht die Manipulation und Speicherung eines einzelnen geladenen Teilchens bei niedrigen Energien durch eine Überlagerung von statischen elektrischen und magnetischen Feldern. Die Ionen können von der kryogenen Heidelberg Electron Beam Ion Trap (HD-EBIT) oder einer Heidelberg Compact EBIT (HC-EBIT) injiziert werden. Ausführliche Informationen zum ALPHATRAP-Experiment finden Sie im Übersichtsartikel von S. Sturm et al. external Link.

Mit ALPHATRAP wurde Laserspektroskopie am 441 nm Feinstrukturübergang zwischen dem 2p 2P1/2 und 2P3/2 Zustand in einem einzelnen gespeicherten borartigen Argon-Ion 40Ar13+ durchgeführt. Zur Untersuchung des Feinstrukturübergangs durch Bestrahlung mit einem kollimierten Laserstrahl bei 441 nm, wurde das Ion zur PT transportiert, die ein sehr homogenes Magnetfeld von 4.02 T besitzt. In der AT wird dieses Feld zu einem inhomogenen Magnetfeld (magnetische Flasche) geändert, sodass die Spinausrichtung des Elektrons an die Axialfrequenz νz des 40Ar13+ in der Falle koppelt. Deshalb erfährt das Argon-Ion eine Verschiebung Δνz in der Axialfrequenz, die von der Orientierung des Spinzustands des Elektrons abhängt.
Dieses Messprinzip wird als kontinuierlicher Stern-Gerlach-Effekt bezeichnet. Es ermöglicht, durch Mikrowellen-Einstrahlung den Spinzustand in der AT von ALPHATRAP zu präparieren und auszulesen. Im Fall von 40Ar13+ zeigt eine Verschiebung von Δνz=±0.3 Hz nach Mikrowellen-Einstrahlung einen Übergang zwischen den beiden 2P1/2 Grundzuständen mit Spin "up" oder Spin "down".

Die Messprozedur ist wie folgt: Präparation des Ions in einen der zwei Zeeman Unterzustände des Grundzustandes in der AT - Transport zur PT, wo das Ion mit einem Laserstrahl bestrahlt wird, um den Übergang ν1 (|J,mj⟩ = |1/2,-1/2⟩ → |3/2,+1/2⟩) oder ν2 (|1/2,+1/2⟩ → |3/2,-1/2⟩) in die zugehörigen Zeeman Unterzustände des angeregten Zustandes anzuregen. Nach der Abregung des angeregten Zustandes ist das Ion letztendlich in den anderen magnetischen Unterzustand gepumpt worden, der eine große Abweichung von der ursprünglichen Resonanzfrequenz aufweist und somit ein Dunkelzustand ist und mit dem kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekt nachgewiesen werden kann - Rücktransport zur AT, wo der Spinzustand analysiert und danach in den Anfangsspinzustand reinitialisiert wird.
Durch die vielmalige Wiederholung dieser Prozedur bei unterschiedlichen Untersuchungsfrequenzen des Lasers in zufälliger Reihenfolge, lässt sich eine frequenzabhängige Übergangswahrscheinlichkeit des Spinzustands ableiten und damit eine Resonanz abtasten.

Der verbotene Dipolübergang 2p 2P1/2 - 2P3/2 in der Feinstruktur von 40Ar13+ konnte durch ALPHATRAP mit einer relativen Unsicherheit von 9.4·10-9 bestimmt werden. Der neue Wert von 679.216464(4)stat(5)sys THz stimmt mit den besten aktuellen Literaturwerten recht gut überein und verbessert die Unsicherheit um einen Faktor 24.

Die neuartige Technik erlaubt das Absuchen eines großen Frequenzbereichs, um einen Übergang zu finden, der von vornherein nicht mit ausreichender Genauigkeit bekannt ist. Zusammen mit der Möglichkeit, in ALPHATRAP beliebige HCI praktisch unbegrenzt lange zu speichern und zu kühlen, lässt sich die Methode dazu verwenden, sehr effizient nach stark verbotenen Übergängen in Mehrelektronen-HCI zu suchen.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

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19.07.19 | Molekulare Quantendynamik
CSR ermöglicht erste Untersuchung der Rotationsabhängigkeit der dissoziativen Rekombination

Am Anfang des Universums, einige Minuten nach dem Urknall, existierten lediglich kleine Kerne, hauptsächlich Wasserstoff, Deuterium und Helium, die durch die so genannte primordiale Nukleosynthese bei über 107 K erzeugt wurden. Als die Temperaturen auf etwa 2500 K gesunken waren, führte die Rekombination dieser Kerne mit Elektronen zu ersten neutralen Atomen. Später bildeten sich primordiale Moleküle durch Strahlungsassoziation und Ladungsaustauschreaktionen. Das erste Molekül war das Heliumhydrid-Ion (HeH+), das sich aus ionisiertem Wasserstoff und neutralen Heliumatomen bildete. Weitere primordiale Moleküle sind molekularer Wasserstoff (H2), Wasserstoff-Deuterid (HD) und Lithiumhydrid (LiH).
Die Epoche der Entstehung der ersten Sterne im frühen Universum wurde durch diese einfachen primordialen Moleküle bestimmt. Eine Gaswolke kann durch den Prozess der Strahlungskühlung auf die niedrigen Temperaturen abgekühlt werden, die für einen Gravitationskollaps und somit die Sternentstehung erforderlich ist. Entscheidend für diesen Prozess ist das molekulare Dipolmoment. HeH+ und LiH besitzen ein großes Dipolmoment. Aufgrund der viel größeren Elementhäufigkeit von He im Vergleich zu Li, rückt HeH+ in den Mittelpunkt des wissenschaftlichen Interesses. Die Häufigkeit molekularer Ionen wird oft durch so genannte dissoziative Rekombination mit Elektronen begrenzt. Dies ist ein Prozess, durch den Elektronen molekulare Ionen zerstören. Nach heutigem Stand, werden die Unsicherheiten bei den Geschwindigkeitskonstanten solcher Prozesse als die einzige Begrenzung für unser Verständnis der primordialen Gasevolution betrachtet. Am MPIK in Heidelberg ermöglicht ein neuartiger, kryogener, elektrostatischer Speicherring CSR (siehe unsere Nachricht vom 18.05.16) die Durchführung von astrophysikalischen Laborexperimenten, um die molekulare Reaktivität unter primordialen Bedingungen besser zu verstehen.

In einem kürzlich in Science veröffentlichten Artikel berichten O. Novotny et al. über genaue Messungen der Geschwindigkeitskonstanten der dissoziativen Rekombination (DR) mit im kryogenen Speicherring CSR gespeicherten HeH+-Ionen und einem mit dem Ionenstrahl zusammengeführten Elektronenstrahl. Alle bisherigen Messungen wurden für HeH+ in überwiegend angeregten Rotationsniveaus bei einer Rotationstemperatur von etwa 300 K durchgeführt. Die Messung von zustandsspezifischen Geschwindigkeitskonstanten der DR im CSR ermöglichte, erstmals die Rotationsabhängigkeit der DR zu untersuchen. Dabei wurde eine dramatische Abnahme der Elektronen-Rekombinationsraten für die niedrigsten Rotationszustände von HeH+ im Vergleich zu früheren Messungen bei Raumtemperatur gefunden. Die reduzierte Zerstörung von kaltem HeH+ führt zu einer erhöhten Häufigkeit dieses wichtigen primordialen Moleküls im Bereich der Rotverschiebung der ersten Stern- und Galaxie-Entstehung.
Die neuen Daten zeigen, dass für die Reaktionsraten kleiner Moleküle bei niedriger Temperatur die Rotationsanregung einen entscheidenend Unterschied ausmachen kann.

Weitere Informationen finden Sie im Science-Artikel:
Science Vol. 365, Issue 6454 (2019) pp. 676-679 externer Link | Full text externer Link | Reprint externer Link

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28.06.19 | Präzisionsmessungen
ALPHATRAP misst den g-Faktor von borartigen Argon-Ionen mit höchster Präzision

Der g-Faktor beschreibt das Verhältnis des magnetischen Moments eines geladenen Teilchens zu dessen Gesamtdrehimpuls. Der g-Faktor des gebundenen Elektrons ermöglicht hochpräzise Tests der Quantenelektrodynamik (QED) in starken Coulombfeldern. Der bislang strengste Test der QED in starken Feldern wurde mit wasserstoffartigem Silicium durchgeführt (siehe unsere Nachricht vom 08.07.11). Anschließend wurde die bisher bestätigte QED-Theorie zur präzisen Bestimmung der Eletronenmasse eingesetzt (siehe unsere Nachricht vom 20.02.14). Die strengste Überprüfung des relativistischen Kernrückstoßeffekts in einem magnetischen Feld wurde mittels Messung der Isotopieverschiebung des g-Faktors von lithiumartigem Calcium durchgeführt (siehe unsere Nachricht vom 18.01.16). Schließlich wurden an lithiumartigem Silicium Korrelationen in relativistischen Mehrelektronensystemen untersucht (siehe unsere Nachricht vom 16.01.13).

Die experimentelle Bestimmung des g-Faktors eines borartigen Ions gestattet erstmals präzise Tests der QED unter Einbeziehung eines gebundenen Elektrons mit Bahndrehimpuls und strengere Tests der Korrelationen in Mehrelektronensystemen. Des Weiteren können solche Ionen künftig auch für eine unabhängige Bestimmung der Feinstrukturkonstante α verwendet werden.

In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel präsentieren I. Arapoglou et al. das erste Ergebnis des ALPHATRAP-Experiments am Max-Planck-Institut für Kernphysik. ALPHATRAP ist ein neuartiger Penningfallen-Aufbau zur hochpräzisen Bestimmung von g-Faktoren gespeicherter hochgeladener Ionen. Der g-Faktor des Grundzustands von borartigem Argon 40Ar13+ wurde mit einer relativen Unsicherheit von 1.4·10−9 gemessen.

Das ALPHATRAP Doppelfallen-System besteht aus einer Präzisionsfalle (PT) mit einem sehr homogenen Magnetfeld zur hochpräzisen Spektroskopie und einer Analysefalle (AT) mit einem inhomogenen Magnetfeld zur Bestimmung der Spinzustände. Die Bestimmung des g-Faktors eines einzelnen 40Ar13+ mit ALPHATRAP basierte auf der Messung des Frequenzverhältnisses von Larmorfrequenz (νL) und Zyklotronfrequenz (νc).
Die Zyklotronfrequenz νc lässt sich aus den drei harmonischen Komponenten νz, ν+ und ν- der Ionenbewegung in der Penningfalle über das Brown-Gabrielse Invarianztheorem bestimmen: νc2 = ν+2 + νz2 + ν-2.
Die Axialfrequenz νz des gespeicherten 40Ar13+ wird direkt durch zerstörungsfreien Spiegelstromnachweis bestimmt. Die modifizierte Zyklotronfrequenz ν+ und die Magnetronfrequenz ν- werden mittels Seitenbandkopplung gemessen. Die Bestimmung der Larmorfrequenz νL beruht auf dem zerstörungsfreien Nachweis von Spinübergängen (Spin-Flips) unter Ausnutzung des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts.

Der experimentell erhaltene Wert von g=0.66364845532(93) stimmt mit der neuen theoretischen Vorhersage von 0.66364812(58) überein, die unter Beteiligung der Theorieabteilung von Christoph Keitel external Link am MPIK berechnet wurde.
Die Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment stellt einen der genauesten Tests von QED-Beiträgen von Mehrelektronensystemen in starken Feldern dar und bereitet den Weg für eine unabhängige Bestimmung der Feinstrukturkonstante α.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

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16.05.19 | Präzisionslaserspektroskopie
Laserspektroskopische und theoretische Untersuchung der Unstetigkeit in Ladungsradien bei Schalenabschlüssen

Gemäß des Schalenmodells kann in Atomkernen jede Schale eine bestimmte maximale Anzahl von Protonen bzw. Neutronen aufnehmen. Vollständig gefüllte Schalen definieren die so genannten "magischen" Protonen- und Neutronenzahlen 2, 8, 20, 28, 50, 82 und 126 im Falle der Neutronen.
In den letzten Jahren haben moderne Präzisionsmessungen neue Facetten der Kernstruktur und -dynamik entlang von Isotopenreihen aufgedeckt, z. B. den "Knick" bei einem Schalenabschluss, d. h. den deutlich unterschiedlichen Anstieg der Kernladungsradien pro Isotop vor und nach einer magischen Zahl.
Die meisten Untersuchungen zum Knick im Anstieg der Ladungsradien befassten sich bislang mit den Schalenabschlüssen bei N=126 und N=28 in der Region von Blei (Z=82) bzw. Calcium (Z=20) (siehe unsere Nachricht vom 08.02.16).
Von Xenon (Z=54) zu Tellur (Z=52) kann eine Abnahme des N=82 Knicks beobachtet werden. Daher stellt sich die Frage, ob diese Abnahme mit abnehmender Protonenzahl in Zinn-Isotopen (Z=50) weiter besteht - so wird es von Berechnungen der nuklearen Dichtefunktionaltheorie (DFT) mittels Skyrme-Funktionalen vorhergesagt - oder sich experimentell ein ziemlich deutlicher Knick finden lässt, wie es Vorhersagen anhand von Fayans-Funktionalen für Zinn (Sn) und die benachbarte Cadmium-Reihe nahelegen (siehe unsere Nachricht vom 04.09.18).

In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel präsentieren C. Gorges et al. neue Daten zu Ladungsradien für die gerade-gerade 108-134Sn Isotope basierend auf hochpräzisen Laserspektroskopie-Messungen, bei denen erstmals der doppelt magische Schalenabschluss N=82 in der Zinn-Isotopenreihe überschritten wurde.
Die neutronenreichen Zinn-Isotope wurden mittels kollinearer Laserspektroskopie am COLLAPS external Link-Experiment an ISOLDE/CERN external Link in Genf untersucht. Hierzu wurden die Übergänge 5p2 1S0 -> 5p6s 1P1 ("SP", 452.5 nm) und 5p2 3P0 -> 5p6s 3P1 ("PP", 286.3 nm) verwendet.
Zur Messung der Isotopieverschiebung der geraden Isotope 112-134Sn wurden Spektren für beide Übergänge aufgenommen, die 108,110Sn Isotope wurden hingegen nur im PP-Übergang untersucht. Zwischen den anderen Isotopen wurden regelmäßig Referenz-Scans an 124Sn durchgeführt.
Aus den Isotopieverschiebungen konnten die Veränderungen in den mittleren quadratischen Kernladungsradien der gemessenen gerade-A Isotope gegenüber dem Referenz-Isotop 124Sn bestimmt werden. Unterhalb von 132Sn ergab sich für die geraden Zinn-Isotope eine nahezu lineare Entwicklung der Kernladungsradien mit einer schwachen Krümmung. Beim doppelt magischen 132Sn zeigt sich ein deutlicher Knick, der einen Neutronenschalenabschluss anzeigt. Dieses Ergebnis entspricht den bisherigen Beobachtungen bei N=82 in anderen Isotopenreihen mit größeren Protonenzahlen - beispielsweise Tellur - und beim N=126 Schalenabschluss im doppelt magischen 208Pb.

Die experimentellen Resultate wurden im Rahmen der nuklearen Dichtefunktionaltheorie (DFT) analysiert. Hierzu wurden ein Skyrme-Funktional (SV-min) und ein kürzlich entwickeltes Fayans-Funktional Fy(Δr,HFB) benutzt, das Gradiententerme in Oberflächen- und Paarungsenergien einführt. Das im Experiment gefundene parabolische Verhalten der Ladungsradien unterhalb des N=82 Schalenabschlusses fehlt in SV-min nahezu ganz und wird in Fy(Δr,HFB) überbetont.
SV-min liefert einen flachen Verlauf der Ladungsradien entlang der Zinn-Isotopenreihe. Fy(Δr,HFB) sagt hingegen einen Knick für 132Sn voraus und beschreibt auch den Knick bei 208Pb in Übereinstimmung mit den Experimenten. Eine multiple Korrelationsanalyse führt zu dem Schluss, dass beide Knicke mit Paarungs- und Oberflächeneffekten zusammenhängen, die im neuen Fayans-Dichtefunktional berücksichtigt werden.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel external Link und in der Pressemitteilung der TU Darmstadt external Link.

Der Artikel wurde mit einer "Empfehlung der Herausgeber" ausgezeichnet.
Bitte lesen Sie auch die Synopsis external Link zum Artikel.

11.05.19 | Präzisionsmessungen
Sonderausgabe von Annalen der Physik zur Revision des Internationalen Einheitensystems

Die Eigenschaften unserer Welt werden durch die Werte fundamentaler physikalischer Konstanten bestimmt, beispielsweise der Feinstrukturkonstante, der Planck-Konstante, der Lichtgeschwindigkeit und der Elementarladung. Was als eine fundamentale Konstante betrachtet werden soll, ist immer noch ungeklärt, sodass weiterhin nicht gesagt werden kann, wie viele Konstanten tatsächlich fundamental sind und zur Beschreibung der Natur benötigt werden. Es ist nicht einmal sicher, ob die fundamentalen Konstanten überhaupt konstant sind oder sich mit der Zeit bzw. dem Ort ändern. Deshalb sind in den vergangenen Jahren z. B. zahlreiche hochpräzise Experimente mit Atomuhren durchgeführt worden, die neue Grenzen für die mögliche zeitliche Veränderung der Feinstrukturkonstante und des Massenverhältnisses von Proton zu Elektron geliefert haben.
Einem Vorschlag Max Plancks aus dem Jahr 1900 folgend, können mithilfe fundamentaler Konstanten "natürliche" physikalische Einheiten definiert werden. Der Meter ist beispielsweise als die Länge der Strecke definiert, die das Licht im Vakuum während der Dauer von 1/299792458 Sekunde zurücklegt.

Am 16. November 2018 wurde auf dem 26. Treffen der Generalkonferenz für Maß und Gewicht in Versailles beschlossen, das Internationale Einheitensystem (SI) durch Festlegung der Zahlenwerte von sieben "Definitionskonstanten" neu zu errichten. Insbesondere wird der Kilogrammprototyp (Urkilogramm), ein Platin-Iridium Zylinder, der heute immer noch das Kilogramm definiert, durch einen festgelegten Wert der Planck-Konstante h ersetzt werden.
Diese Änderungen werden am 20. Mai 2019, dem internationalen Tag des Messens, in Kraft treten. Aus diesem Anlass hat "Annalen der Physik" kürzlich eine Sonderausgabe "The Revised SI: Fundamental Constants, Basic Physics and Units" veröffentlicht. Herausgeber sind unser Abteilungsleiter Klaus Blaum, Dmitry Budker (Johannes Gutenberg-Universität Mainz), Andrey Surzhykov (Technische Universität und Physikalisch Technische Bundesanstalt – PTB, Braunschweig) und Joachim H. Ullrich (Präsident der PTB, dem nationalen Metrologieinstitut).

Die Sonderausgabe ist einer der Events des internationalen Tags des Messens 2019 external Link. Sie beinhaltet eingeladene Überblicksartikel weltweit führender Experten, die die Verwendung fundamentaler Konstanten zur Definition und Realisierung der sieben Basiseinheiten des neuen SI erörtern. Ein weiterer Schwerpunkt der Sonderausgabe sind hochpräzise Experimente zur Bestimmung der fundamentalen Konstanten.

Weitere Informationen finden Sie im Vorwort external Link und in den Beiträgen external Link der Sonderausgabe von Annalen der Physik.

28.01.19 | Präzisionsmessungen
Erste Messungen von Heizraten in einer kryogenen Penningfalle

Geladene Teilchen, die in einer Ionenfalle gespeichert werden, sind sehr gut von Umgebungseinflüssen abgeschirmt und deshalb ideal für vielfältige Anwendungen in Metrologie und Quanteninformationsverarbeitung geeignet.
Mittels gespeicherter Ionen können außerdem hochempfindliche Tests fundamentaler Symmetrien durchgeführt und die Physik jenseits des Standardmodells erforscht werden. Hierzu führt die BASE-Kollaboration external Link am CERN, zu der Mitglieder unserer Abteilung gehören, hochpräzise Experimente mit gespeicherten geladenen Teilchen durch. Diese beruhen auf sehr genauen Frequenzmessungen mit fortgeschrittenen Mehr-Penningfallen-Systemen und dem Einsatz neuartiger Messmethoden. Unsere Experimente ermöglichen hochpräzise Vergleiche der fundamentalen Eigenschaften von Protonen und Antiprotonen und damit strenge Tests der CPT-Invarianz (C: Ladung, P: Parität, T: Zeit) im Baryonensektor. Im Jahr 2017 gelangen BASE die präzisesten Messungen des magnetischen Moments des Protons (siehe unsere Nachricht vom 24.11.17) und des Antiprotons (siehe unsere Nachricht vom 18.10.17). Diese hochpräzisen Messungen erfordern rauscharmere Bedingungen als alle anderen Ionenfallenexperimente. Unsere Präzisionsexperimente lassen sich nur in extrem rauscharmen kryogenen Penningfallen durchführen, mit Energiestabilitäten, die einer parasitären Übergangsrate von maximal zwei Bewegungsquanten während einer Messdauer von einigen Minuten entspricht.

In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichten M. J. Borchert et al. von der Charakterisierung der Fluktuationen des elektrischen Feldes in einer kryogenen Penningfalle durch die explizite Messung der Zyklotron-Quantenübergangsraten eines einzelnen Antiprotons unter Ausnutzung des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts. Die Messungen wurden in der kryogenen Spin-Analysefalle von BASE durchgeführt (BASE: Baryon Antibaryon Symmetry Experiment external Link).
Die Analyse-Penningfalle wird mittels eines supraleitenden Magneten bei 1.945 T realisiert, kombiniert mit einem elektrostatischen Quadrupolpotential, das von fünf sorgfältig entworfenen zylindrischen Elektroden mit einem inneren Durchmesser von 3.6 mm erzeugt wird. Die zentrale Ringelektrode besteht aus einer Kobalt-Eisen-Legierung und erzeugt eine magnetische Inhomogenität von 272 kTm-1, die für die Anwendung des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts benötigt wird.

Vergleich von skaliertem Rauschen des Feldes (a), Heizrate (b) und Energie-Heizrate (c) verschiedener Ionenfallenexperimente als Funktion des Elektrode-Ion-Abstands. Ergebnisse von kryogenen Paulfallen werden durch Dreiecke, Ergebnisse von Penningfallen bei Raumtemperatur durch Quadrate dargestellt. Das Ergebnis unserer Arbeit wird als blauer Kreis dargestellt.
Vergleich von skaliertem Rauschen des Feldes (a), Heizrate (b) und Energie-Heizrate (c) verschiedener Ionenfallenexperimente als Funktion des Elektrode-Ion-Abstands. Ergebnisse von kryogenen Paulfallen werden durch Dreiecke, Ergebnisse von Penningfallen bei Raumtemperatur durch Quadrate dargestellt. Das Ergebnis unserer Arbeit wird als blauer Kreis dargestellt.

Die Bahn eines einzelnen gespeicherten Antiprotons in der Analysefalle setzt sich aus der modifizierten Zyklotronbewegung bei ν+ und der Magnetronbewegung bei ν- senkrecht zum Magnetfeld sowie der Teilchenschwingung entlang der Magnetfeldlinien mit der Axialfrequenz νz zusammen. νz wurde direkt durch zerstörungsfreien Spiegelstromnachweis unter Anwendung von aktiver elektronischer Feedback-Kühlung beobachtet, die Messungen bei niedriger axialer Temperatur und hoher axialer Frequenzstabilität erlaubte.
Aufgrund des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts wird die axiale Frequenz νz des Antiprotons eine Funktion der radialen Quantenzustände und Quantenübergänge führen somit zu Verschiebungen der Axialfrequenz. Daher können Zyklotron-Quantenübergangsraten durch Messungen der Axialfrequenz bestimmt werden.
Durch Auswertung der Allan-Deviation σ_νz(τ) wurde eine Analyse der Stabilität der Axialfrequenz für ein Antiproton bei niedriger Radialenergie durchgeführt. Bei kurzen Mittelungszeiten (τ < 100 s) werden die Fluktuationen der Axialfrequenz hauptsächlich durch Rauschen bei der Frequenzmessung und Spannungsschwankungen bestimmt. Bei langen Mittelungszeiten (τ > 250 s) wird die Allan-Deviation hingegen von den Übergangsraten im modifizierten Zyklotronmode dominiert, die einen nahezu ungerichteten Random Walk beschreiben. Aus den Daten ergab sich eine absolute Zyklotron-Übergangsrate von 6(1) Quanten/Stunde.

Die beobachteten Übergangsraten wurden zur Spektraldichte des Rauschens des elektrischen Feldes SE+) in Beziehung gesetzt, die auf die Zyklotronbewegung des Teilchens einwirkt. Es ergab sich eine Obergrenze für SE+) von 7.5(3.4)·10-20 V2m-2Hz-1. Diese Grenze ist weit unterhalb der für Experimente mit kryogenen Paulfallen und mit Penningfallen bei Raumtemperatur angegebenen Resultate.
ω·SE(ω), d. h. die mit der Winkelfrequenz skalierte Spektraldichte des Rauschens des elektrischen Feldes, wurde zu kleiner als 8.8(4.0)·10-12 V2m-2 bestimmt. Dies ist um einen Faktor 1800 niedriger als die bisher besten Heizraten für Paulfallen und um einen Faktor 230 niedriger als die besten Heizraten, die für Penningfallen berichtet werden. Des Weiteren ist die ermittelte Energiezunahme dE/dt im Bereich von peV/s. Dies entspricht der höchsten Energiestabilität eines Teilchens, die bisher in einem Ionenfallenexperiment erzielt werden konnte.

Auf Grundlage von Messungen der Heizrate bei unterschiedlichen Teilchenbahnen (d. h. Magnetronradien ρ-) konnten Fluktuationen des Fallenfeldes, die durch das Restrauschen der Elektrodenspannung SV verursacht werden, als Hauptmechanismus für das Aufheizen identifiziert werden.
Innerhalb der Messauflösung wurde kein sog. "Anomalous Heating" - das ist ein Effekt, der die Skalierbarkeit von Quantenalgorithmen limitiert - beobachtet. Hauptquelle für SV und damit die Schwankungen des elektrischen Feldes in der Analysefalle ist vermutlich die parasitäre Kopplung von EMI (Electromagnetic Interference) Rauschen auf die Fallenelektroden. Die Forscher streben eine Erhöhung der Empfindlichkeit künftiger Penningfallenexperimente durch die weitere Reduzierung der bereits sehr niedrigen Heizraten an.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

Bitte lesen Sie auch die Pressemeldungen von BASE external Link und der Gruppe Trapped-Ion Quantum Engineering external Link.