Nachrichten-Archiv 2023

Die Quantenelektrodynamik (QED) ist Teil des Standardmodells der Teilchenphysik, welches das ambitionierte Ziel hat, alle physikalischen Effekte mit Ausnahme der Gravitation zu beschreiben. Tests des Standardmodells sind von Interesse, um Hinweise darauf zu finden, warum einige Vorhersagen sich nicht mit experimentellen Beobachtungen decken.
Die Stärke des magnetischen Moments eines einzelnen an den Atomkern gebundenen Elektrons wird durch den sog. g-Faktor bestimmt. Ein Vergleich des experimentellen und aus QED-Modellen berechneten g-Faktors erlaubt es, aktuelle QED-Modelle mit sehr hoher Genauigkeit zu testen.

In einem kürzlich in "Physical Review Letters" veröffentlichten Artikel berichten Mitglieder unserer Abteilung über die Messung des g-Faktors eines einzelnen gebundenen Elektrons in ²⁰Ne⁹⁺ und ²²Ne⁹⁺. Die g-Faktor-Experimente wurden mit den kryogenen Penningfallen-Setups ALPHATRAP und PENTATRAP am MPIK durchgeführt. Zur Bestimmung des g-Faktors wird die Masse des Neonkerns und die Larmorfrequenz (Präzessionsfrequenz des Spins des gespeicherten Neonions im Magnetfeld) benötigt. Die Larmorfrequenz wurde im ALPHATRAP-Experiment bestimmt. Die Kernmasse von ²⁰Ne wurde vom PENTATRAP-Experiment mit einer Genauigkeit von 5·10^–12 bestimmt. Dies ist ein Weltrekord für Massenmessungen in atomaren Masseneinheiten. Mit Hilfe der Kernmasse und der Larmorfrequenz wurde der g-Faktor des gebundenen Elektrons in ²⁰Ne⁹⁺ und ²²Ne⁹⁺ mit einer relativen Genauigkeit von 10^–10 bestimmt.
Der Vergleich des experimentellen und aus QED-Modellen berechneten g-Faktors zeigt eine Übereinstimmung auf zehn Dezimalstellen und liefert den präzisesten Test der Theorie der Selbstinteraktion des gebundenen Elektrons.

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Moderne Atomuhren gehören zu den genauesten Messinstrumenten. Sie sind die Grundlage für Spitzentechnologien wie das GPS-System. Die Erfindung des Frequenzkamms öffnete den Weg zu Atomuhren, die optische Übergänge in gefangenen, einzelnen, hochgeladenen Ionen (HCI) nutzen.
In einem kürzlich in "Physical Review Letters" veröffentlichten Artikel berichten Mitglieder unserer Abteilung über die Identifizierung eines metastabilen elektronischen Zustands in hochgeladenen Blei-Ionen (Nb-ähnliches ²⁰⁸Pb⁴¹⁺), der als Uhrenzustand genutzt werden könnte. Mit dem Penningfallen-Massenspektrometer PENTATRAP wurde die Anregungsenergie des metastabilen Zustands in Pb⁴¹⁺-Ionen direkt zu 31,2(8) eV bestimmt. Mit einer relativen Massenunsicherheit von 4·10^–12 ist dies eine der bislang präzisesten Massenmessungen.
Die experimentelle Arbeit wurde mit einer theoretischen Arbeit aus der Abteilung von Christoph Keitel am MPIK und Paul Indelicato von der Universität Sorbonne kombiniert, in der die Übergangsenergie mittels zweier umfangreicher, teilweise unterschiedlicher ab-initio-Multi-Konfigurations-Dirac-Hartree-Fock-Rechnungen bestimmt wurde.

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Die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) Matrix ist ein zentraler Grundpfeiler in der Formulierung des Standardmodells der Teilchenphysik. Die CKM Matrix muss unitär sein, damit das Standardmodell vollständig ist. V_ud, das erste Matrixelement in der oberen Reihe, lässt sich aus Messungen von beta-Zerfallsraten unter Berücksichtigung von theoretischen Korrekturen, wie z. B. der Ladungsverteilung im Kern (Kernladungsradius), extrahieren.
In ^26mAl sind diese Korrekturen sehr klein und es besitzt eine der am genauesten gemessenen beta-Zerfallsraten, die den Wert von V_ud einschränkt. Deshalb ist ^26mAl von besonderer Bedeutung für die Bestimmung von V_ud.

In einem kürzlich in "Physical Review Letters" veröffentlichten Artikel berichten P. Plattner et al. über die erste experimentelle Bestimmung des Ladungsradius von ^26mAl mittels kollinearer Laserspektroskopie. Dazu wurden zwei unabhängige Experimente durchgeführt. Eines an der COLLAPS Beamline an ISOLDE-CERN, ein weiteres an der IGISOL CLS Beamline in Jyväskylä, Finnland. Der neue präzise Wert R_c=3.130(15) fm für den Ladungsradius von ^26mAl hat eine unmittelbare Bedeutung für die Bestimmung von V_ud und damit den Test der Unitarität der CKM Matrix.

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Der Artikel wurde für einen sog. Viewpoint in Physics ausgewählt. Bitte lesen Sie auch den Standpunkt zum Artikel  von T. E. Cocolios (KU Leuven).

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 )

Die neutronenarmen exotischen Kerne von Quecksilber und Bismut wechseln von einer sphärischen Form (Fußball) zu einer deformierten Form (Rugbyball), wenn einzelne Neutronen aus deren Kern entfernt werden. Dieses Phänomen wird Formwechsel ("Shape Shifting") genannt. Es wurde erstmals vor etwas mehr als 50 Jahren im leichten Kern des Quecksilbers an der ISOLDE-Anlage (CERN) in Genf entdeckt.

In einem kürzlich in "Physical Review Letters" veröffentlichten Artikel berichten J. G. Cubiss et al. über die Änderungen der mittleren quadratischen Ladungsradien von neutronenarmen Goldkernen. Diese wurden mittels In-Source Resonanzionisations-Laserspektroskopie an ISOLDE bestimmt. Die neuen experimentellen Daten zeigen, dass das "Shape Shifting" auch bei neutronenarmen Goldkernen auftritt.

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Wissenschaftler:innen unserer Abteilung am MPIK und anderer Institutionen haben in verdünnten Molekülwolken eine deutlich höhere Ionisationsrate ermittelt als bisher angenommen. Für ihre Beobachtungen verifizierten die Wissenschaftler die chemischen Zerstörungswege des OH⁺ Moleküls im weltweit einzigartigen kryogenen Ionenspeicherring CSR am MPIK in Heidelberg.

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Die Quantenelektrodynamik ist die am besten getestete Theorie der gesamten Physik. Sie beschreibt alle elektrischen und magnetischen Wechselwirkungen von Licht und Materie. Wissenschaftler:innen unserer Abteilung haben jetzt mit Präzisionsmessungen an ihrem Experiment ALPHATRAP die magnetischen Eigenschaften von Elektronen untersucht, die an hochgradig ionisierte Zinn-Atome gebunden waren. Solche Tests ermöglichen Einblicke in das Verhalten von Teilchen unter extremen Feldstärken. Außerdem dienen sie als Plattform für die Suche nach neuer Physik.

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Experimentelle Observablen einfacher atomarer Systeme mit einem oder wenigen Elektronen, z. B. atomarer oder molekularer Wasserstoff, Helium und deren Ionen, erlauben extrem genaue Tests des Standardmodells der Physik. Die Eigenschaften fundamentaler Teilchen, z. B. die Masse des Elektrons und die Masse und der Ladungsradius leichter Ionen, sind deshalb von großer Bedeutung für die fundamentale Physik.
Das LIONTRAP (Light ION TRAP) Experiment an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist ein hochpräzises Penningfallen-Massenspektrometer zur Bestimmung der Massen verschiedener leichter Ionen mit höchster Genauigkeit.

In einem kürzlich in "Physical Review Letters" veröffentlichten Artikel berichten S. Sasidharan et al. über die Messung der Masse eines ⁴He²⁺ Ions mittels LIONTRAP mit einer Präzision von 12·10⁻¹². Aus der Ionenmasse m(⁴He²⁺) wurde die Masse des neutralen Atoms ohne einen Verlust an Genauigkeit bestimmt: m(⁴He) = 4.002 603 254 653(48) u.
Dieses Ergebnis ist etwas präziser als der aktuelle CODATA18 Literaturwert, weicht allerdings um 6.6 Standardabweichungen von diesem ab.
Um die Inkonsistenzen im Massenbereich der leichten Ionen genauer zu untersuchen, ist eine erneute Messung des Massenverhältnisses ³He/¹²C mittels LIONTRAP geplant.

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Bitte lesen Sie auch die Pressemeldungen des MPIK  und des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung Darmstadt 

In einem kürzlich in "Physical Review Letters" veröffentlichten Artikel berichten L. Nies et al. über Messungen der Anregungsenergien der isomeren Zustände in neutronenarmen Indium-Isotopen. Das Experiment wurde unter Einsatz des ISOLTRAP  Multireflection Time-Of-Flight Mass Spectrometer (MR-TOF MS) an ISOLDE /CERN in Genf durchgeführt. Die hochpräzisen Messungen wurden durch eine wesentliche Verbesserung des Auflösungsvermögens des ISOLTRAP MR-TOF MS möglich. Dadurch konnte die Anregungsenergie (671(37) keV) des 1/2⁻ Isomers in ⁹⁹In bei N=50 erstmals gemessen werden.
Die Systematik der Anregungsenergie der Isomere reicht nun bis zum entscheidenden N=50 Schalenabschluss und bestätigt deren Konstanz selbst dann, wenn alle Neutronen aus der Valenzschale entfernt sind.

Fortschritte bei modernen Kernmodellen sind nicht nur für Untersuchungen der Kernschalenstruktur von Interesse, sondern werden auch häufig in der Metrologie, der Atomphysik und der Quantenchemie genutzt.
Die verbesserten experimentellen Ergebnisse wurden mit Berechnungen der hochmodernen Large-Scale Shell Model (LSSM) und Dichtefunktionaltheorie (DFT) verglichen. Ebenso mit Ab-initio-Rechnungen unter Verwendung der Valence-Space In-medium Similarity Renormalization Group (VS-ISMRG) und der CCSM-Methode. Die Modelle haben Probleme sowohl mit der Beschreibung der Anregungsenergien der isomeren Zustände als auch der elektromagnetischen Momente der Grundzustände entlang der Indium-Reihe.

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In einem kürzlich in "Physical Review Letters" veröffentlichten Artikel berichten M. Wang et al. über hochpräzise Massenmessungen von N=Z−2 und N=Z−1 Kernen der oberen fp-Schale. Das Experiment wurde an der Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL)  (China) durchgeführt. Unter Einsatz einer neuartigen Methode der isochronen Massenspektrometrie wurden die Massen von ⁶²Ge, ⁶⁴As, ⁶⁶Se und ⁷⁰Kr erstmals gemessen und die Massen von ⁵⁸Zn, ⁶¹Ga, ⁶³Ge, ⁶⁵As, ⁶⁷Se, ⁷¹Kr und ⁷⁵Sr mit verbesserter Genauigkeit erneut bestimmt.

Mithilfe der neuen Massen konnten die Proton-Neutron Restwechselwirkungen (δV_pn) in den N=Z Kernen bestimmt werden. Sie nehmen demzufolge mit zunehmender Masse A ab (zu), für gerade-gerade (ungerade-ungerade) Kerne jenseits von Z=28. Diese beobachtete Bifurkation von δV_pn konnte nicht durch verfügbare Massenmodelle reproduziert werden.
Ab-initio-Berechnungen, die auch eine chirale Drei-Nukleon Wechselwirkung berücksichtigen, konnten die Bifurkation reproduzieren. Allerdings fällt δV_pn für ungerade-ungerade N=Z Kerne systematisch zu groß aus. Dies zeigt, dass die hochmodernen Ab-initio-Ansätze noch weiter verbessert werden müssen. Hochpräzise Massen von Kernen entlang N=Z sind eine wichtige Grundlage für deren strenge Überprüfung.

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Neue kernphysikalische Daten ermöglichen ein besseres Verständnis für die Eigenschaften von Neutronensternen. Hochpräzise Messungen von Kernmassen belegen Germanium-64 als Wartepunkt-Kern in der Nukleosynthese durch schnellen Protoneneinfang und bilden die Grundlage für die Modellierung von Röntgenausbrüchen auf Neutronensternen als Teil von Doppelsternsystemen.

Die Experimente der Storage Ring Nuclear Physics Gruppe  an der Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL)  (China) sowie die Interpretation der Daten wurden von Forschern aus unserer Abteilung "Gespeicherte und gekühlte Ionen" am MPIK in Heidelberg und der ASTRUm Gruppe  am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt im Rahmen einer seit mehr als 10 Jahren erfolgreich laufenden Kooperation unterstützt.

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

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