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23.09.21 | Präzisionsmessungen
Präzisionsmassenmessungen zur Bewertung moderner Ab-initio-Berechnungen von ¹⁰⁰Sn

Gemäß dem einfachen Schalenmodell, kann in Atomkernen jede Schale eine bestimmte maximale Anzahl von Protonen Z bzw. Neutronen N aufnehmen, die den sog. "magischen" Zahlen entspricht (Z, N=8,20,28,50,82 und N=126). Solche abgeschlossenen Kernschalen sind mit erhöhter Stabilität verbunden, vergleichbar der stabilen Elektronenkonfiguration von Edelgasen.
Der Kern des "doppelt magischen" Zinn-100 (¹⁰⁰Sn) besteht aus 50 Protonen und 50 Neutronen und besitzt deshalb eine erhöhte Stabilität (sog. "mutually enhanced magicity"). Aufgrund seines extremen Neutronenmangels, stellt ¹⁰⁰Sn die Grenze für die Protonenstabilität dar und ist der schwerste selbstkonjugierte Kern (Z=N) auf der Nuklidkarte. Zinn-100 wandelt sich durch Beta-Plus-Zerfall in Indium-100 um. ¹⁰⁰Sn ist wegen seiner vergleichsweise einfachen internen gerade-gerade Kernstruktur gut für die experimentelle Überprüfung moderner Kernmodelle geeignet.
In den vergangenen Jahren wurden zwei Messungen (Hinke et al. und Lubos et al.) des Q-Werts (d. h. der frei werdenden Energie) des Beta-Plus-Zerfalls zur Berechnung der Masse von ¹⁰⁰Sn herangezogen. Diese Experimente lieferten den bislang stärksten Gamow-Teller Übergang (Emission eines Positron-Neutrino-Paars mit parallelen Spins), wodurch sich zeigte, dass der Beta-Plus-Zerfall von Zinn-100 ein "übererlaubter" Zerfall ist.
Allerdings machen die beiden deutlich unterschiedlichen Q-Werte und die daraus abgeleiteten atomaren Massenwerte von ¹⁰⁰Sn deutlich, dass auch die ¹⁰⁰Sn Nachbarnuklide mit ungerader Protonenzahl betrachtet werden müssen. Diese sind grundsätzlich schwieriger theoretisch zu beschreiben, aber entscheidend für einen vollständigen Test von modernen Ab-initio-Berechnungen.

In einem kürzlich in "Nature Physics" veröffentlichten Artikel präsentieren M. Mougeot et al. hochpräzise Massenmessungen von neutronenarmen Indium-Isotopen mit ISOLTRAP , die am ISOLDE On-line Isotopenseparator am CERN in Genf produziert wurden. Durch direkte Bestimmung der Kernbindungsenergie ermöglichen hochpräzise Messungen von Atommassen die sehr bedeutende modellunabhängige Untersuchung der Strukturentwicklung von exotischen Nukliden. Die neuen hochpräzisen Massendaten erlaubten erstmals die Ausdehnung des experimentellen Wissens über Bindungsenergien bis zu lediglich einem Proton unterhalb von ¹⁰⁰Sn. Die Massenmessungen von ^{99,100,101g,101m}In konnten nur durch den Einsatz der modernsten Massenspektrometrie-Techniken realisiert werden.
Die Masse von ⁹⁹In wurde zum ersten Mal gemessen. Aufgrund der zu niedrigen Produktionsausbeute von ⁹⁹In, musste für die Massenmessung ISOLTRAPs Multi-Reflection Time-of-Flight Mass Separator/Spectrometer (MR-ToF MS) eingesetzt werden.
Die Rate von ¹⁰⁰In und ¹⁰¹In nach dem MR-ToF MS war ausreichend für Penningfallen-Massenmessungen. Für ¹⁰⁰In wurde die konventionelle Time-of-Flight Ion-Cyclotron-Resonance (ToF-ICR) Technik verwendet. Der zusätzlich mittels MR-ToF MS bestimmte Massenwert von ¹⁰⁰In stimmte gut mit dem Ergebnis der Penningfallen-Messung überein.
Der bei ISOLTRAP eintreffende Indium-101 Strahl bestand aus einer Mischung aus dem Grundzustand und dem isomeren Zustand (^101gIn und ^101mIn), weshalb hier die neuartige Phase-Imaging Ion-Cyclotron-Resonance (PI-ICR) Technik (siehe z. B. unsere Nachricht vom 11.02.14 und 05.03.20) zum Einsatz kam, um beide Zustände aufzulösen und die Genauigkeit des Massenwerts des Grundzustands sicherzustellen. Die ergänzende ToF-ICR Messung von ^101gIn stimmte hervorragend mit dem Wert der PI-ICR Messung überein.

Der Massenüberschuss von Zinn-100 lässt sich aus dem von Indium-100 und dem Q-Wert des Beta-Plus-Zerfalls von ¹⁰⁰Sn in ¹⁰⁰In ableiten. Dieser Q-Wert wurde von Hinke et al. (2012) und Lubos et al. (2019) mit deutlich unterschiedlichen Ergebnissen bestimmt. Bei den neuen Penningfallen-Massenmessungen ergab sich, dass ¹⁰⁰In im Vergleich zum Literaturwert um 130 keV stärker gebunden ist, während die Massenunsicherheit um fast einen Faktor 90 verbessert werden konnte.

Eine Analyse der empirischen Zwei-Neutronen-Schalenlücke zeigte, dass der von Hinke et al. angegebene Q-Wert der Erwartung für ein doppelt magisches ¹⁰⁰Sn folgt, während der neuere Wert von Lubos et al. einen Massenwert von ¹⁰⁰Sn ergibt, der nicht zu der einfachen Extrapolation der experimentellen Trends passt.

In den letzten Jahren wurden große Fortschritte bei der Ausdehnung von Ab-initio-Rechnungen in mittelschweren Kernen (siehe z. B. unsere Nachricht vom 19.06.13 und 08.02.16) bis hin zu den Zinn-Isotopen erzielt. Diese basieren auf modernen Kernkräften, die von der chiralen effektiven Feldtheorie (EFT) der starken Wechselwirkung abgeleitet werden. Die neuen experimentellen Ergebisse konnten daher mit neuen Ab-initio-Vorhersagen verglichen werden. Hierzu wurden experimentelle Drei-Punkt-Schätzungen des Neutronen- bzw. Protonen-"Odd-Even-Staggerings" (Größenzunahme bzw. -abnahme der Bindungsenergie beim Wechsel zwischen ungeraden und geraden Neutronen- bzw. Protonenzahlen) mit theoretischen Resultaten verglichen. Dabei kamen die Valence Space In-medium Similarity Renormalization Group (VS-IMSRG) Methode und die Shell-Model Coupled-Cluster (SMCC) Methode zum Einsatz.
Die neuen Ab-initio-Berechnungen stimmen mit dem experimentellen Trend überein. Sie liefern ein Neutronen- und Protonen-Staggering vergleichbarer Größe und weichen lediglich in den Absolutwerten davon ab. Bei N wird besonders deutlich, dass der Q-Wert von Hinke et al. besser zu den neuen theoretischen Ergebnissen passt als das Resultat von Lubos et al.. Bei Z=49 favorisieren ebenfalls alle theoretischen Trends klar den Q-Wert von Hinke et al. gegenüber dem Wert von Lubos et al..

Die neuen präzisen Massenwerte der neutronenarmen Indium-Isotope erlauben somit eine experimentelle Bewertung moderner theoretischer Ansätze und konnten das Vertrauen in die Anwendung dieser Ab-initio-Rechnungen auf das ikonische ¹⁰⁰Sn stärken.

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

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25.08.21 | Präzisionsmessungen
Erste sympathetische Laserkühlung eines einzelnen Protons in einer Penningfalle

Der Vergleich fundamentaler Teilchen-/Antiteilchen-Eigenschaften gestattet, die CPT-Symmetrie (C: Ladung, P: Parität, T: Zeit) auf mögliche Verletzungen hin zu überprüfen und hat zum Ziel, den beobachteten Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie in unserem Universum zu erklären. Das Baryon Antibaryon Symmetry Experiment (BASE) am CERN in Genf soll zum Beispiel einen strengen Test der CPT-Symmetrie liefern, indem die magnetischen Momente (g-Faktoren) von Proton und Antiproton mit hoher Präzision verglichen werden (siehe unsere Nachricht vom 23.11.15).
Da solche hochpräzisen g-Faktor-Messungen durch die kryogenen Teilchentemperaturen limitiert sind (siehe unsere Nachricht vom 12.08.15, 18.10.17 und 24.11.17), ist eine effiziente Kühlung gespeicherter geladener Teilchen entscheidend in dem genannten aber auch in vielen weiteren grundlegenden physikalischen Experimenten.
Die niedrigsten Protonen- und Antiprotonen-Temperaturen lassen sich gegenwärtig durch Widerstandskühlung in einem kryogenen Penningfallen-System erreichen. Dies ermöglicht, das Proton bzw. Antiproton auf die Umgebungstemperatur von etwa 4 K abzukühlen.
Protonen und Antiprotonen besitzen keine elektronische Struktur und können daher nicht mittels direkter Laserkühlung noch weiter abgekühlt werden. Deshalb muss die Kopplung von Protonen bzw. Antiprotonen (oder anderen Systemen ohne optische Struktur) an laserkühlbare Ionen gelingen. Dies wird seit langem für Präzisionsspektroskopie (siehe z. B. unsere Nachricht vom 20.09.19), Massenmessungen, Quanteninformation und zur Realisierung neuartiger Quantensysteme angestrebt.
Im Jahr 2018 wurde bereits vorgeschlagen, einzelne Protonen oder Antiprotonen sympathetisch zu kühlen, indem zwei Penningfallen für ein Proton/Antiproton und lasergekühlte Beryllium-Ionen verwendet werden, die durch eine gemeinsame Endkappe verbunden sind (siehe unsere Nachricht vom 19.03.18).

In einem kürzlich in "Nature" veröffentlichten Artikel präsentieren M. Bohman und die BASE-Kollaboration die erste sympathetische Kühlung eines einzelnen Protons mithilfe eines kryogenen Zwei-Penningfallen-Systems. Das einzelne Proton wurde hierfür in der Protonenfalle (PT) und eine Be⁺-Ionenwolke in einer separaten Beryllium-Falle (BT) gespeichert. Im Unterschied zum erwähnten möglichen Einsatz einer gemeinsamen Endkappe, wurde die Kopplung realisiert, indem die beiden Penningfallen mit einem supraleitenden kryogenen LC-Schaltkreis verbunden wurden, dessen Resonanzfrequenz in der Nähe ihrer Axialfrequenzen lag.
LC-Resonatoren mit hohem Gütefaktor (in diesem Fall Q ~ 15 000) werden üblicherweise zum Spiegelstrom-Nachweis einzelner gespeicherter Teilchen eingesetzt. In dem neuartigen Experiment wurde der Resonator mit beiden Fallen verbunden, wodurch die zwei Ionenfallen-Systeme mittels Spiegelströmen gekoppelt waren und das Proton, die Be⁺-Ionen und der LC-Resonator ein System aus drei gekoppelten Oszillatoren bildeten.
Da somit die Kopplung nicht wie im früheren nicht-resonanten Vorschlag auf einer gemeinsamen Elektrode beruht, ist die Energieaustauschrate nicht durch die Fallenkapazität limitiert. Hierdurch wird eine deutlich stärkere Kopplung ermöglicht und die Kühlung kann über größere Entfernungen und mit mehreren getrennten Ionenfallen erfolgen. Im beschriebenen Experiment hatten die Protonen- und die Berylliumfalle einen axialen Abstand von etwa 9 cm.
Die Forscher demonstrierten die erfolgreiche Kopplung auf zwei Arten. Zuerst zeigten sie, dass die Temperatur des Protons durch die Kopplung an eine Ionenwolke aus ca. 15 angeregten (geheizten) Be⁺-Ionen modifiziert werden kann. Für die quantitative Bestimmung der auf das Proton übertragenen Energie, wurde die Axialfrequenz des Protons vor und nach der Kopplung an die angeregten Be⁺-Ionen gemessen. Als Zweites wurden entsprechende Messungen der Verschiebung der Axialfrequenz des Protons in Anwesenheit einer kontinuierlich lasergekühlten Be⁺-Ionenwolke durchgeführt. Dafür wurden die Be⁺-Ionen mit dem geschlossenen ²S_1/2 -> ²P_3/2 Übergang gekühlt und in Resonanz mit dem supraleitenden LC-Schaltkreis und dem Proton gebracht. Mit dieser neuen Kühlmethode lassen sich Protonen-Temperaturen weit unterhalb der Umgebungstemperatur erreichen. Die niedrigsten Protonen-Temperaturen werden nicht bei den minimalsten Be+-Temperaturen erzielt, sondern bei Maximierung der Kopplung der Be⁺-Ionen an den LC-Resonator. In der Demonstrationsmessung konnte die Protonen-Temperatur um 85% von 17 K Umgebungstemperatur auf 2,6 K gesenkt werden.

Die beschriebene neuartige Technik zur sympathetischen Laserkühlung wird verbesserte Präzisionsexperimente mit allen Arten von geladenen Teilchen bei tieferen Temperaturen ermöglichen. Insbesondere kann sie unmittelbar zur Kühlung von Protonen und Antiprotonen bei den bereits bestehenden großen makroskopischen Fallen eingesetzt werden, mit denen Präzisionsmessungen des Ladung-zu-Masse-Verhältnisses und des g-Faktors durchgeführt werden. Dies ermöglicht der BASE-Kollaboration künftig noch präzisere Vergleiche von Teilchen-/Antiteilchen-Eigenschaften und eine erhöhte Genauigkeit bei der Suche nach Dunkler Materie (siehe unsere Nachricht vom 13.11.19 und 25.01.21).
Darüber hinaus kann die erfolgreiche Ausdehnung der Laserkühlung auf Teilchen in räumlich voneinander getrennten Fallen zur Entwicklung von Quantenkontrolltechniken für bisher unzugängliche Teilchen, wie hochgeladene Ionen, Molekülionen und Antimaterieteilchen, beitragen.

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

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25.01.21 | Präzisionsmessungen
Einsatz des ultrasensitiven BASE-Detektors zur Suche nach axionartiger Dunkler Materie

Ab den 1960er Jahren lieferten Analysen der Dynamik von Galaxien starke Hinweise darauf, dass es neben der uns bekannten sichtbaren "baryonischen" Materie etwa fünfmal soviel sogenannte "Dunkle Materie" im Universum geben könnte. Die mikroskopischen Eigenschaften dieser Dunklen Materie sind jedoch bis heute unbekannt. Axionen der Quantenchromodynamik (QCD) und neue axionartige Teilchen (axion-like particles, ALPs), die von Erweiterungen des Standardmodells vorhergesagt werden, sind hervorragende Kandidaten für Dunkle Materie, da sie im frühen Universum erzeugt werden würden und einen Halo aus kalter Dunkler Materie bilden, der konsistent mit astrophysikalischen Beobachtungen ist.

Axionen und ALPs koppeln an zwei Photonen und können sich folglich bei Anwesenheit eines starken äußeren magnetischen (oder elektrischen) Feldes in Photonen umwandeln. Diese Umwandlung ist die Grundlage für die experimentelle Suche nach Axionen und ALPs. Die Suche wird mit Haloskop-Experimenten (nach Axionen und ALPs im galaktischen Halo), mit Helioskop-Experimenten (nach solaren Axionen und ALPs) und mit reinen Laborexperimenten durchgeführt. Einige Laborexperimente und astrophysikalische Beobachtungen konnten bereits Schranken für mögliche ALP-Massen und -Kopplungsstärken im Bereich von neV/c² setzen.
Neben eigens für den Axion-Nachweis entworfenen Geräten, können auch umfunktionierte hochsensitive supraleitende Einzelteilchen-Detektoren, die Teil von kryogenen Penningfallen-Experimenten sind, zum Nachweis von Axionen und ALPs eingesetzt werden.

In einem kürzlich in "Physical Review Letters" veröffentlichten Artikel, präsentieren J. A. Devlin et al. die Ergebnisse der Untersuchung der Umwandlung von ALPs in Photonen unter Verwendung des axialen Nachweissystems der Analysefalle des BASE Antiproton-Experiments am CERN. Diese Analyse ergänzt die vorhergehende BASE-Studie der möglichen Wechselwirkungen zwischen ALPs und Antiprotonen (siehe unsere Nachricht vom 13.11.19).
BASE ist ein kryogenes Penningfallen-Experiment an der "Antimaterie-Fabrik" des CERN, das für den Test der CPT-Invarianz (C: Ladung, P: Parität, T: Zeit) durch den Vergleich fundamentaler Eigenschaften von Protonen und Antiprotonen entworfen wurde. Mit BASE lassen sich Spiegelströme im Femtoampere-Bereich nachweisen, die durch in der Analysefalle oszillierende Antiprotonen induziert werden. Der eingesetzte resonante LC-Schaltkreis ist auch für Änderungen des magnetischen Flusses empfindlich, die durch ein oszillierendes ALP-Feld verursacht werden. Daher ist es möglich, Schranken für die ALP-Photon-Wechselwirkung zu extrahieren. Hierzu wird das Rauschspektrum des resonanten Festfrequenz-Schaltkreises nach Peaks abgesucht, die durch hypothetische Dunkle Materie ALPs hervorgerufen werden, die sich im starken Magnetfeld (1.945 T) des Penningfallen-Magneten in Photonen umwandeln.

Die Forscher konnten für die ALP-Photon-Wechselwirkung für einen engen Massenbereich um 2.791 neV die bisher strengsten laborbasierten Schranken setzen, auf einem Niveau vergleichbar dem der durch astrophysikalische Beobachtungen mit dem Fermi-LAT Space Telescope erhaltenen Schranken und strenger als andere aktuelle Haloskop- und Helioskop-Experimente.
Der neue Ansatz eröffnet einen Weg für zahlreiche andere Penningfallen-Experimente, nach Signaturen für ALPs zu suchen. Die Wissenschaftler erwägen, für künftige Untersuchungen die hochempfindlichen Einzelteilchen-Detektoren von Penningfallen-Experimenten wie BASE so anzupassen, dass diese noch leistungsstärkere Apparaturen mit höherer Nachweisbandbreite für die experimentelle Suche nach ALPs werden.

Weitere Informationen finden Sie im Artikel ... >

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13.01.21 | Starke Wechselwirkung und exotische Kerne
Grenzen von Atomkernen vorhergesagt

In einer neuen Studie "Ab Initio Limits of Nuclei", die im Journal Physical Review Letters als Editors' Suggestion mit einer begleitenden Synopsis in APS Physics erschienen ist, gelang es unserem Max-Planck-Fellow Professor Achim Schwenk von der TU Darmstadt gemeinsam mit Wissenschaftlern der University of Washington, des TRIUMF und der Universität Mainz, die Grenzen von Atomkernen mit Hilfe innovativer theoretischer Methoden bis zu mittelschweren Kernen zu berechnen.
Die neuen Berechnungen ermöglichen die Vorhersage der Eigenschaften von fast 700 Isotopen zwischen Helium und Eisen. Die Ergebnisse sind eine Fundgrube an Informationen über mögliche neue Isotope und liefern einen Fahrplan für Kernphysiker, um diese zu verifizieren.

Ausführliche Informationen finden Sie im Artikel und in der Pressemitteilung des MPIK .

Bitte lesen Sie auch die Synopsis zum Artikel .

13.11.20 | Präzisionsmessungen
Übersichtsartikel zum Test der Grundlagenphysik mittels Penningfallen

In Penningfallen werden geladene Teilchen durch elektromagnetische Kräfte unter gut kontrollierten Bedingungen für nahezu unbegrenzte Zeit gespeichert. Für die Beobachtung einzelner gespeicherter Ionen wurden hochempfindliche Nachweismethoden entwickelt. Durch den Einsatz verschiedener Kühlmethoden kann die Energie des in einer Penningfalle gespeicherten Teilchens so weit reduziert werden, dass es sich fast in Ruhe befindet.

In einem kürzlich in Quantum Science and Technology veröffentlichten Artikel geben K. Blaum, S. Eliseev und S. Sturm einen Überblick über die einzigartigen Möglichkeiten, die sich durch hochgeladene Ionen (highly charged ions, HCIs) für Präzisionsmessungen in Penningfallen bieten. Präzise Atom- und Kernmassen sowie magnetische Momente gebundener Elektronen erlauben unter anderem die Bestimmung fundamentaler Konstanten wie der Elektronenmasse oder die Durchführung strenger Tests grundlegender Wechselwirkungen wie der Quantenelektrodynamik gebundener Zustände.
Die Autoren erörtern aktuelle Ergebnisse und Zukunftsperspektiven der hochpräzisen Penningfallen-Spektroskopie mit HCIs.

Weitere Informationen finden Sie im Übersichtsartikel ... >