Aktuelle Nachrichten

Die komplexen Vielteilchensysteme aus Protonen und Neutronen innerhalb eines Atomkerns gehorchen dem Pauli-Prinzip. Die Nukleonen besetzen deshalb Quantenniveaus, die durch Energielücken voneinander getrennt sind, was zum einfachen Schalenmodell der Kernphysik führt, das mit dem Bohr'schen Atommodell vergleichbar ist. Atomkerne zeigen in der Nähe von abgeschlossenen Schalen bei den sogenannten magischen Protonen- und Neutronenzahlen (Z,N=8,20,28,50,82 und N=126) Einteilchenverhalten. Abseits der abgeschlossenen Schalen zeigen die Nukleonen hingegen kollektives Verhalten. Aus diesem Grund ändern sich die Kerngröße und -form beim Hinzufügen oder Entfernen von Protonen und Neutronen.
Mittels hochauflösender optischer Spektroskopie können direkt die Konfiguration von Valenzteilchen und Änderungen der Kerngröße und -deformation untersucht werden, indem die Hyperfeinaufspaltung und die Isotopieverschiebung gemessen werden. Durch die Erforschung von Radionukliden, bei denen dramatische Formänderungen auftreten, wenn lediglich ein einzelnes Nukleon entfernt wird, lässt sich unser Verständnis der Kerndeformation erheblich verbessern.
Ein einzigartiges Beispiel hierfür ist die unerwartete Veränderung des Ladungsradius entlang der Isotopenreihe des Quecksilbers (Hg, Z=80). Die Größenzunahme bzw. -abnahme der Ladungsradien beim Wechsel zwischen ungeraden und geraden Neutronenzahlen, das sogenannte "Shape Staggering", wurde in den 1970er Jahren mittels Laserspektroskopie beobachtet. Während die Hg-Isotope mit gerader Massenzahl mit abnehmendem N stetig kleiner werden, so, wie man es vom Blei (abgeschlossene Protonenschale Z=82) her kennt, zeigen die Isotope mit ungerader Massenzahl ^181,183,185Hg eine erstaunliche Zunahme des Ladungsradius. Diese verblüffende Entdeckung führte zu dem bis heute theoretisch nicht vollständig verstandenen Phänomen der sog. Formkoexistenz. Diese besteht darin, dass normale nahezu sphärische und deformierte Strukturen im Atomkern bei niedriger Anregungsenergie koexistieren.
Obwohl bereits eine sehr große Zahl an Untersuchungen zu den Isotopen der Quecksilberreihe durchgeführt worden ist, bleiben zwei Herausforderungen bestehen, die entscheidend für das Verständnis der Natur des "Shape Staggerings" sind:
Um das Auftreten des Phänomens genau lokalisieren zu können, müssen bisher nicht experimentell zugängliche neutronenarme Hg-Isotope untersucht werden. Zudem benötigt man für weitere theoretische Fortschritte mikroskopische Vielteilchen-Berechnungen zu solch schweren Kernen wie dem des Quecksilbers.

In einem kürzlich in Nature Physics veröffentlichten Artikel berichten Bruce A. Marsh et al. über Durchbrüche an der experimentellen und der theoretischen/rechnergestützten Front von Untersuchungen zur "Formkoexistenz" bei Quecksilber.

Das Experiment wurde an der CERN-ISOLDE  Isotopenseparator-Anlage mittels In-Source Resonanzionisationsspektroskopie mit bisher unerreichter Präzision bei der Messung der Isotopieverschiebung und der Hyperfeinstruktur von radiogenen Quecksilberisotopen durchgeführt. Hierzu wurde mit der Laserwellenlänge von 254 nm der Übergang des ersten Anregungsschrittes des dreistufigen Ionisationsschemas für die Erzeugung der Hg⁺-Ionen gescannt. Die Laserspektroskopie-Messungen konnten erstmals auf vier leichtere Hg-Isotope unterhalb von ¹⁸¹Hg (^177-180Hg) ausgedehnt werden und die Laserspektren von ^181-185Hg wurden erneut gemessen. Aus den gemessenen Hyperfein-Parametern wurden die Kernspins sowie die magnetischen Dipol- und die elektrischen Quadrupolmomente abgeleitet. Die Isotopieverschiebungen wurden relativ zum Referenzisotop ¹⁹⁸Hg gemessen. Mit ihrer Hilfe konnten die Veränderungen in den mittleren quadratischen Ladungsradien gegenüber N=126 entlang der Isotopenreihe ^177-185Hg berechnet werden. Die neuen experimentellen Daten bestätigen frühere Ergebnisse und die ersten Messungen für ^177-180Hg zeigen sehr deutlich, dass das "Shape Staggering" ein lokales Phänomen ist. Die ungeradzahligen Quecksilberisotope weisen ab A=179 (N=99) wieder eine sphärische Form auf, sodass ¹⁸¹Hg den Endpunkt des "Shape Staggerings" markiert.

Für die mathematische Beschreibung der Energieniveaus der Nukleonen im Rahmen des Schalenmodells der Kernphysik, wird das Vielteilchensystem in einen inerten Kern mit abgeschlossenen Schalen und einen Valenzraum aufgespalten. Während die Berechnung von leichten Kernen mit Hilfe der konventionellen Methode der Konfigurationswechselwirkung für Protonen und Neutronen durchgeführt werden kann, müssen für die Behandlung schwerer Kerne fortgeschrittene Berechnungsmethoden eingesetzt werden. Deshalb nutzten die Forscher für die theoretische Untersuchung des einzigartigen "Shape Staggerings" bei den Hg-Isotopen jüngste Fortschritte in der computergestützten Physik. Sie führten Monte-Carlo Schalenmodell (MCSM) Berechnungen durch, bei denen der bisher größte Valenzraum erfasst wurde. Die Berechnungen wurden für den Grundzustand und die niedrigsten Anregungszustände von ^177-186Hg durchgeführt. Die MCSM-Resultate stimmen bemerkenswert gut mit den experimentellen Beobachtungen überein. Sie geben Einblick in den mikroskopischen Ursprung des "Shape Staggerings" zwischen N=101 und N=105. Dieses geht demzufolge auf eine abrupte und deutliche Rekonfiguration der Besetzung des Protonenorbitals 1h_9/2 und des Neutronenorbitals 1i_13/2 zurück.
Diese neuen Einsichten geben Aufschluss über die Dualität von Einteilchenverhalten und kollektivem Verhalten in Atomkernen. Sie tragen damit zu einem tieferen allgemeinen Verständnis der Kernstruktur bei.

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Bitte lesen Sie auch die Pressemeldungen des MPIK , der Universität Greifswald  (idw) und des CERN  (auf Englisch).

Der Radius ist eine fundamentale Eigenschaft des Atomkerns. Die Ladungsdichteverteilung eines Kerns kann u. a. durch den mittleren quadratischen (root-mean-square, rms) Ladungsradius charakterisiert werden.
Frühe Elektronen-Streuexperimente in den 1930er Jahren zeigten empirisch, dass die Kernladungsradien ungefähr mit A^1/3 zunehmen, wobei A die Zahl der Nukleonen (Protonen und Neutronen) ist. Davon ausgehend, dass die Sättigungsdichte innerhalb des Kerns konstant ist, schlug G. Gamow das Tröpfchenmodell vor und C. F. v. Weizsäcker stellte darauf aufbauend seine halbempirische Massenformel auf.
Seit den ersten Untersuchungen von Atomkernen haben verschiedenartige Präzisionsmessungen von Ladungsradien zahlreiche Facetten der Kernstruktur und -dynamik entlang von Isotopenreihen aufgedeckt, z. B. den Knick bei einem Schalenabschluss oder die Größenzunahme bzw. -abnahme der Ladungsradien beim Wechsel zwischen ungeraden und geraden Neutronenzahlen (sog. Odd-Even-Staggering), die noch nicht vollständig quantitativ verstanden ist.
Moderne Kernstrukturmodelle werden durch die große heute verfügbare Datenmenge über die Nuklidkarte hinweg stark herausgefordert und haben eine globale Beschreibung der Kernladungsradien zum Ziel. Die nukleare Dichtefunktionaltheorie (DFT) gestattet eine mikroskopische Beschreibung der Kerne über den gesamten Massebereich hinweg und war vor allem in der Region der mittelschweren und schweren Kerne erfolgreich. Die Ladungsradien von ⁴⁰Ca und ⁴⁸Ca können bereits recht gut beschrieben werden. Die DFT-Modelle können allerdings nicht die detaillierten Größentrends der Isotope erklären, wie etwa die schnelle Zunahme des Kernladungsradius von ⁴⁸Ca bis ⁵²Ca (siehe unsere Nachricht vom 08.02.16) oder das komplizierte Verhalten der Ladungsradien zwischen ⁴⁰Ca und ⁴⁸Ca.
Deshalb wurde in der Dichtefunktionaltheorie das nichtrelativistische Fayans-Funktional entwickelt, um die Beschreibung der Entwicklung der Ladungsradien der Isotope zu verbessern. Es verbessert insbesondere deutlich die Beschreibung des "Odd-Even-Staggerings", was mit der Verwendung eines alternativen relativistischen Dichtefunktional-Ansatzes nicht gelang. Um die Vorhersagen solcher neuen DFT-Modelle überprüfen zu können, benötigt man neue Präzisionsdaten von Ladungsradien entlang langer Isotopenreihen.

In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel präsentieren M. Hammen et al. neue Resultate zu Ladungsradien von Cadmiumisotopen, die mit Z=48 ein Protonenpaar unterhalb des Protonenschalenabschlusses bei Z=50 liegen. Die Experimente wurden mit dem kollinearen Laserspektroskopie-Setup COLLAPS  an der radioaktiven Ionenstrahl-Anlage ISOLDE/CERN  in Genf durchgeführt. Die Forscher untersuchten in verschiedenen Experimenten sowohl Übergänge im neutralen Cd-Atom als auch im einfach geladenen Cd-Ion mittels hochauflösender kollinearer Laserspektroskopie.
Für die Spektroskopie an neutralen Cadmiumatomen wurde der Übergang 5s5p ³P₂ -> 5s6s ³S₁ bei 508.7 nm verwendet (siehe N. Frömmgen et al., Eur. Phys. J. D 69, 164 (2015) ). Dabei kamen kontinuierliche Strahlen vom ISOLDE General-Purpose-Separator (GPS) zum Einsatz und die Messungen waren auf ^106-124,126Cd begrenzt.
Zur Untersuchung der einfach geladenen Cadmium-Isotope wurden diese durch einen dem Ionenstrahl parallel überlagerten Laserstrahl bei 214.5 nm in den Übergang 5s ²S_1/2 -> 5p ²P_3/2 angeregt. Die Experimente wurden mit gebunchten und gekühlten Strahlen von ISCOOL  (ISOLDEs radiofrequency quadrupole cooler–buncher) am High-Resolution-Separator (HRS) durchgeführt. Nähere Informationen geben unsere Nachrichten vom 07.05.13 und 25.01.16 sowie die zugehörigen Artikel von D. T. Yordanov et al..
Bis auf ⁹⁹Cd wurden die Isotopieverschiebungen der Cd-Isotope entlang der kompletten sdgh-Schale von ¹⁰⁰Cd (N=52) bis zum Schalenabschluss bei ¹³⁰Cd (N=82) gemessen. Die Unterschiede in den rms-Kernladungsradien der gemessenen Cadmium-Isotope in Bezug auf das Referenz-Isotop ¹¹⁴Cd wurden aus den Isotopieverschiebungen ermittelt. Die Ladungsradien zeigen einen glatten parabolischen Verlauf über einem linearen Trend und ein reguläres "Odd-Even-Staggering" über nahezu die gesamte sdgh-Schale hinweg.

Die experimentellen Ergebnisse wurden mit den Vorhersagen relativistischer (FSUGarnet+BNN) und nichtrelativistischer (Skyrme, Fayans) nuklearer DFT-Modelle verglichen. Außer dem Fayans-Funktional, kann keines der DFT-Modelle den Gesamttrend der Ladungsradien der Isotope und das "Odd-Even-Staggering" im Detail reproduzieren. Dies liegt zum einen an der Einführung zweier Gradiententerme, des Gradiententerms im Oberflächenterm und des Gradiententerms im Pairing-Funktional, in das Fayans-Funktional. Zum anderen eignet sich die neu vorgeschlagene Fayans-Parametrisierung - optimiert für die Erklärung der Veränderung in den rms-Kernladungsradien der Isotope der Calciumreihe - auch sehr gut für die Cadmiumreihe.
Dieser erste erfolgreiche Test des neuen elaborierten Fayans-Funktionals macht die Wichtigkeit von präzisen Daten zu rms-Kernladungsradien für die Weiterentwicklung des Konzepts der Nukleonenpaarung im Rahmen der nuklearen Dichtefunktionaltheorie deutlich.

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In den vergangenen Jahren wurden zahlreiche Untersuchungen zu den Isotopen der Cadmium-Isotopenreihe durchgeführt. Diese unterstreichen die große Bedeutung von Präzisionsmessungen in dieser Region der Nuklidkarte. Präzisionsmassenmessungen von ^129-131Cd mit ISOLTRAP  an ISOLDE/CERN  dienten der Erforschung der stellaren Nukleosynthese (siehe unsere Nachricht vom 04.12.15). Kollineare Laserspektroskopie an neutronenreichen Cadmiumisotopen mit COLLAPS  konnte die Annahme bestätigten, dass das einfache Schalenmodell der Kernphysik auch auf komplexe Kerne anwendbar ist (siehe unsere Nachricht vom 07.05.13). Im Jahr 2016 wurde die einfache Kernstruktur in ^111-129Cd entdeckt (siehe unsere Nachricht vom 25.01.16).

In einem kürzlich in Physical Review C (Rapid Communication) veröffentlichten Artikel berichten D. T. Yordanov et al. über die laserspektroskopische Untersuchung der neutronenarmen Cadmiumisotope von ¹⁰⁹Cd bis zu ¹⁰¹Cd. Die Präzisionsmessungen wurden mit dem COLLAPS-Setup an ISOLDE-CERN in Genf durchgeführt. Die Cadmiumionen wurden in den Übergang 5s ²S_1/2 -> 5p ²P_3/2 bei 214.5 nm angeregt und mit dem Strahl eines Dauerstrich-Lasers überlagert, um die Hyperfeinstruktur zu scannen. Es wurde für die kollineare Laserspektroskopie erstmals eine Frequenzvervierfachung eingesetzt. Hierzu wurde der cw-Laserstrahl mittels zweifacher Frequenzverdopplung des Strahls eines Titan:Saphir-Lasers erzeugt.

Das Experiment lieferte genaue elektromagnetische Momente für die Grundzustände von ^101-105Cd. Das elektromagnetische Moment von ¹⁰¹Cd wurde zum ersten Mal bestimmt. Außerdem konnte die Präzision des Quadrupolmoments von ¹⁰³Cd erheblich verbessert werden. Die 5/2⁺ elektromagnetischen Momente in ^101-107Cd zeigen einen ähnlichen Verlauf wie der lineare Trend, der in 2016 für die 11/2⁻ Zustände in neutronenreichen ^111-129Cd gemessen wurde. Daher wurde zur Diskussion der Daten zunächst von einer einfachen Struktur in komplexen Kernen ausgegangen. Ein realistischeres Bild der zugrundeliegenden Kernstruktur wurde allerdings mithilfe von großskaligen Schalenmodell-Berechnungen mit dem SR88MHJM Hamiltonian gewonnen. Sie zeigen, dass den zwei Protonen-Löchern von Cd (Z=48) relativ zur magischen Zahl Z=50 eine bedeutende Rolle zukommt.

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Die Stabilität von Molekülen, Clustern und Nanoteilchen im freien Raum hängt maßgeblich von ihrer Heizung und Kühlung durch Wärmestrahlung ab. Diese Prozesse manifestieren sich unter anderem in der kontinuierlichen Hintergrundstrahlung des interstellaren Raums. Die Untersuchung dieses Strahlungsverhaltens kleinster Teilchen ist Bestandteil der experimentellen Laborastrophysik.Möglich geworden ist dies durch die Entwicklung kryogener Ionenfallen und Speicherringe, bei denen Molekül- und Clusterionen bei Umgebungstemperaturen von wenigen Kelvin minutenlang gespeichert werden können. Nun ist es erstmalig gelungen die innere Temperatur gespeicherter Ionen zeitaufgelöst zu messen und damit ihr Strahlungsverhalten besser zu verstehen. In der kryogenen elektrostatischen Ionenfalle CTF (Cryogenic Trap for Fast ion beams) am Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg wurde in einem Prototyp-Experiment die Energieverteilung von Co₄⁻ Anionen mithilfe eines gepulsten, durchstimmbaren Lasers kontinuierlich ermittelt. Die neue Messmethode, die auf der Beobachtung zeitverzögerter Elektronenablösung nach Photonenabsorption beruht, wurde von C. Breitenfeldt et.al. in Physical Review Letters vorgestellt. Das neue Verfahren wird aktuell bei Messungen am Cryogenic Storage Ring (CSR) am MPIK eingesetzt und weiterentwickelt.

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Das einfache Kernschalenmodell beschreibt erfolgreich die Anordnung der Energieniveaus der Nukleonen (Protonen und Neutronen) nahe des "Tals der Stabilität". Es liefert eine Erklärung für die außergewöhnliche Stabilität von Kernen mit "magischen" Protonen- oder Neutronenzahlen (komplett gefüllten Protonen- oder Neutronenschalen). Im Jahr 1975 zeigten Massenmessungen von neutronenreichen Kernen, dass der Schalenabschluss bei N=20 nahe ³²Mg verschwindet. Die Region mit dieser unerwarteten Änderung der Kernstruktur wurde "Inversionsinsel" genannt.
In den folgenden Jahrzehnten führte die intensive Untersuchung neutronenreicher exotischer Kerne zur Entdeckung weiterer Inversionsinseln bei den Neutronenzahlen N=8, 28 und 40. Solche Regionen mit deformierter Kernstruktur aufgrund kollektiver Zustände (gemeinsamer Bewegung vieler Nukleonen), die zu Intruder-Konfigurationen, d. h. Konfigurationen außerhalb der sd-Schale, führen, können nicht mithilfe des einfachen Kernschalenmodells erklärt werden. Die Eigenschaften angeregter Kernzustände entlang der N=40 Isotonenreihe deuten auf eine schnelle Entwicklung von Kollektivität hin, ausgehend von dem doppelt magischen ⁶⁸Ni (Z=28, N=40) über ⁶⁶Fe (Z=26, N=40) bis hin zum stark deformierten ⁶⁴Cr (Z=24, N=40). Außerdem scheint stark kollektives Verhalten auch über N=40 hinaus weiter zu bestehen, sodass die Inversionsinsel bei N=40 in eine Region der Deformation in der Nähe des doppelt magischen ⁷⁸Ni (Z=28, N=50) übergeht.
Es bedarf genauerer Massewerte neutronenreicher Chromisotope, um das durch AME2016 nahegelegte plötzliche Auftreten von Deformation in der Chromreihe in Richtung N=40 näher zu untersuchen. Auch für die Astrophysik sind diese präzisen Massewerte von Bedeutung.

In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichten M. Mougeot et al. über die ersten Präzisionsmessungen der Grundzustandsbindungsenergien der kurzlebigen neutronenreichen Chromisotope ^58-63Cr. Die Messungen wurden mit dem hochauflösenden Multireflexions-Flugzeitmassenspektrometer/-separator (MR-TOF MS) ISOLTRAP  an ISOLDE/CERN, Genf, durchgeführt. Hierzu wurden an der ISOLDE-Anlage  erstmals Chromionenstrahlen mittels einer Resonance Ionization Laser Ion Source (RILIS) produziert. Der gereinigte Ionenstrahl wurde in einer Präparations-Penningfalle gekühlt und anschließend in die Präzisions-Penningfalle von ISOLTRAP injiziert. In dieser wurden die hochpräzisen Massenmessungen der Chromionen ^58-62Cr mittels der Flugzeit Ionen-Zyklotron-Resonanz Methode (ToF-ICR) durchgeführt.
Die ToF-ICR Methode liefert die Atommassen der Chromionen über die Bestimmung des Quotienten aus der Zyklotronfrequenz ν_c,ref von ⁸⁵Rb⁺ Referenzionen und der Zyklotronfrequenz ν_c der Chromionen.
Im Fall von ⁶³Cr war die Ausbeute so gering, dass die Massenbestimmung nur durch den Einsatz des ISOLTRAP MR-ToF MS als Massenspektrometer möglich war. Daher wurden die Massen von ^59-63Cr über die Bestimmung der Quotienten der Flugzeiten ermittelt, wobei isobarische CaF⁺ Ionen und ⁸⁵Rb⁺ Ionen als Referenz dienten.

Die neuen Massewerte sind um bis das 300-Fache genauer als die Literaturwerte und verfeinern damit unseren Wissensstand über die Massenoberfläche in der Nähe der Inversionsinsel bei N=40 erheblich.
Aus den bestimmten Massenexzess-Werten wurden die Zwei-Neutronen-Separationsenergien S_2n der Chromisotope hergeleitet. Der Verlauf der S_2n-Werte gestattet die Erforschung der Entwicklung der Kernstruktur mit wachsender Neutronenzahl. Im Unterschied zu dem durch AME2012 nahegelegten plötzlichen Auftreten von Deformation, ist der neue genauere Verlauf der S_2n-Werte sehr gleichmäßig mit einer Aufwärtskrümmung bei Annäherung an N=40. Er ist gut mit dem Verlauf der S_2n-Werte von Mg in der ursprünglichen Inversionsinsel von N=14 bis 20 vergleichbar. Dieser Verlauf zeigt eine graduelle Zunahme von Kollektivität im Grundzustand und somit ein allmähliches Einsetzen von Deformation in der Chromreihe.

Der experimentell bestimmte Verlauf der S_2n-Werte der Chromisotope wurde mit den Vorhersagen verschiedener Kernmodelle verglichen. Die Entwicklung der S_2n-Werte wird sowohl durch das UNEDF0 Energie-Dichte-Funktional als auch die LNPS' Wechselwirkung des phänomenologischen Schalenmodells gut reproduziert. Zusätzlich wurden erstmals Ab-initio-Rechnungen zu Chromisotopen mit nicht voll besetzter Schale durchgeführt. Die neuen präzisen Daten liefern wichtige Randbedingungen für die aktuelle Entwicklung solcher theoretischen Ab-initio-Ansätze zur Erforschung der Kernstruktur.

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Atommassen sind so einzigartig wie Fingerabdrücke und geben einen Einblick in die Struktur des Atomkerns, da die Atommasse direkt mit der Kernbindungsenergie verknüpft ist, die der Summe der Wechselwirkungen entspricht, die die Nukleonen (Protonen und Neutronen) zusammenhalten.
In den ersten Jahren nach der Entdeckung von Neonisotopen im Jahr 1913 wurde die Atommassenspektrometrie zur Identifizierung von Isotopen als Vertreter des gleichen chemischen Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl eingesetzt. Seither wurden die Methoden der Massenspektrometrie immer weiter verbessert. Heute werden hochentwickelte Penningfallen-Systeme für die Anwendung der modernsten Massenspektrometriemethode eingesetzt, die die höchste Massenpräzision und Massenauflösung erreicht. Penningfallen-Massenspektrometrie ermöglicht gegenwärtig relative Masseungenauigkeiten bis zu 10^-10 für Radionuklide und sogar unter 10^-11 für stabile Spezies.

In einem kürzlich in "Annual Review of Nuclear and Particle Science" veröffentlichten Übersichtsartikel geben J. Dilling, K. Blaum, M. Brodeur und S. Eliseev einen umfassenden Überblick über die Techniken und Anwendungen der Penningfallen-Massenspektrometrie in der Kern- und Atomphysik. Im Artikel werden die grundlegenden Prinzipien von Penningfallen dargestellt, ebenso neue Techniken der Ionenmanipulation, der Kühlung und des Nachweises von Ionen.

Die Bestimmung der Masse m eines Ions mit der elektrischen Ladung q in einer Penningfalle beruht auf der Messung seiner Zyklotronfrequenz ν_c. Die unterschiedlichen Typen von Penningfallen-Anlagen verwenden sehr verschiedene Techniken zur Messung der Zyklotronfrequenz. An Online-Anlagen werden hochpräzise Penningfallen für Massenmessungen von kurzlebigen Nukliden eingesetzt. Hier soll die neuartige Phase-Imaging Ion Cyclotron Resonance (PI-ICR) Technik künftig die etablierte Time-of-Flight Ion Cyclotron Resonance (ToF-ICR) Technik ablösen.
An kryogenen Offline-Setups werden die Massenverhältnisse von langlebigen oder stabilen Nukliden mithilfe der schnellen Fourier Ion Cyclotron Resonance (FT-ICR) Technik gemessen.

Die Autoren geben einen detaillierten Überblick über alle hochpräzisen Penningfallen-Massenspektrometer für instabile Isotope, die an radioaktiven Ionenstrahl-Anlagen (RIB-Anlagen) installiert sind. Offline-Installationen für stabile und langlebige Spezies werden ebenfalls ausführlich beschrieben.
Abschließend werden im Übersichtsartikel die Anwendungen von hochpräzisen Massedaten in der Kernphysik und der physikalischen Grundlagenforschung diskutiert. Die Anwendungen in der Atom- und Kernphysik reichen von Kernstrukturuntersuchungen und zugehörigen Präzisionstests theoretischer Ansätze über die Beschreibung der starken Wechselwirkung, Tests des elektroschwachen Standardmodells, der Quantenelektrodynamik bis hin zur Neutrinophysik und Anwendungen in der nuklearen Astrophysik.

Heute wird die Penningfallen-Spektrometriemethode für hochpräzise Massenmessungen in der Gemeinschaft der Atom- und Kernphysiker allgemein akzeptiert. Spezialisierte und hochentwickelte Penninfallen-Systeme werden in der Zukunft immer breitere Anwendung bei ständig weiter zunehmender Präzision und Auflösung finden.

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Die Energie-Masse-Äquivalenz, die durch die berühmte Formel E=mc² ausgedrückt wird, war die wichtigste neue Erkenntnis aus Einsteins spezieller Relativitätstheorie und ist entscheidend für deren Gültigkeit. Da direkte Überprüfungen durch präzise Annihilationsexperimente auf relative Genauigkeiten von einigen 10^-6 beschränkt sind, werden auch weniger direkte aber präzisere Ansätze verfolgt. Der Neutroneneinfang, bei dem das neugebildete Isotop die gewonnene Bindungsenergie als Gammastrahlung emittiert, eignet sich gut zur indirekten Überprüfung. Der Vergleich der exakt gemessenen Energie der Gammastrahlung mit dem präzise bestimmten Massendefekt des entstandenen Isotops unter Verwendung der Einstein-Formel, ermöglicht einen sehr genauen Test der Energie-Masse-Äquivalenz.

In einem kürzlich in Nature Physics veröffentlichten Artikel erklären M. Jentschel und K. Blaum die Überprüfung von Einsteins einfacher Gleichung mittels zweier völlig unabhängiger experimenteller Techniken. Die Wellenlängen der Gammastrahlen und damit deren Energien lassen sich durch Beugungswinkelmessungen mittels Doppel-Perfektkristall-Spektrometer bestimmen. Der Gitterabstand ist mit einer Genauigkeit von acht Nachkommastellen bekannt und die Beugungswinkelmessungen erreichen eine Präzision von sieben Nachkommastellen. Um ebenfalls diese Genauigkeit zu erreichen, muss der Massendefekt mit einer Präzision von 11 Nachkommastellen durch hochpräzise Penningfallen-Massenmessungen bestimmt werden.

Für die Kombination beider experimenteller Techniken konnten bisher lediglich die drei Isotopenpaare ^1,2H, ^32,33S und ^28,29Si verwendet werden. Die verfügbaren Daten erlauben die Bestätigung der Äquivalenz von Masse und Energie mit einer Genauigkeit von 1.4(4.4)·10^–7. Für einen verbesserten Test der Energie-Masse-Äquivalenz wird ein Isotopenpaar vorgeschlagen.

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Die stellare Nukleosynthese schwerer chemischer Elemente jenseits von Eisen ist für die Astrophysik von besonderem Interesse. Stabile protonenreiche Kerne, auch p-Kerne genannt, können nicht im s- oder p-Prozess erzeugt werden. Schwere p-Kerne entstehen üblicherweise in Supernovaexplosionen durch den γ-Prozess (Photodissoziation). Die "leichten p-Kerne" der mittleren Masseregion können allerdings nicht im Rahmen der Standardnukleosynthese verstanden werden. Für die Produktion solcher leichten p-Kerne wurden der astrophysikalische rp-Prozess (rapid proton capture, dt. schneller Protoneneinfang) und der νp-Prozess (Neutrino-getriebene Nukleosynthese) vorgeschlagen.

In einem kürzlich in Physics Letters B veröffentlichten Artikel berichten Y. M. Xing et al. über Präzisionsmassenmessungen der fünf neutronenarmen Kerne ⁷⁹Y, ^81,82Zr und ^83,84Nb. Die Messungen wurden mittels isochroner Massenspektrometrie mit dem Experimentierspeicherring CSRe an der Heavy Ion Research Facility in Lanzhou  (HIRFL) in China durchgeführt. Die Massen von ⁸²Zr und ⁸⁴Nb wurden erstmals mit einer Unsicherheit von ~10keV gemessen. Die Massen von ⁷⁹Y, ⁸¹Zr und ⁸³Nb wurden mit höherer Genauigkeit erneut bestimmt.

Auf Grundlage der präzisen Massenmessungen wurde insbesondere die von FRDM'92 (finite range droplet mass model 1992) vorhergesagte Region mit niedrigen α-Separationsenergien (S_α) der neutronenarmen Mo- und Tc-Isotope näher betrachtet. Aus den erhaltenen Massenexzess-Werten konnten die Zwei-Protonen-Separationsenergien (S_2p) und Zwei-Neutronen-Separationsenergien (S_2n) und somit die α-Separationsenergien hergeleitet werden.
Die neuen Massewerte unterstützen nicht die Existenz einer ausgeprägten Insel mit niedrigen S_α-Werten für Mo-Isotope. Folglich existiert der vorhergesagte Zr–Nb-Zyklus im rp-Prozess von Typ I Röntgenstrahlenausbrüchen nicht, oder er ist zumindest erheblich schwächer als bisher angenommen.

Außerdem erlaubten die neuen präzisen Massewerte eine Überprüfung der in früheren Berechnungen zum νp-Prozess gefundenen Überproduktion von ⁸⁴Sr. Die neuen Massen führen zu einer Reduzierung der Häufigkeit von ⁸⁴Sr. Somit ist die Überproduktion von ⁸⁴Sr relativ zu ^92,94Mo geringer als bisher vorhersagt.

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Der hochpräzise Vergleich grundlegender Eigenschaften eines Teilchens und seines Antiteilchens ermöglicht strenge Tests der CPT-Symmetrie (C: Ladung, P: Parität, T: Zeit) des Standardmodells. Die Experimente der BASE-Kollaboration  befassen sich mit dem Vergleich fundamentaler Eigenschaften von Protonen und Antiprotonen mittels Bestimmung und Vergleich ihrer Ladung-zu-Masse-Verhältnisse und magnetischen Momente in Penningfallen.
Im Jahr 2014 gelang der Kollaboration an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz die direkte Messung des magnetischen Moments des Protons mit einer relativen Genauigkeit von 3.3·10^-9. Hierbei kam eine anspruchsvolle Doppel-Penningfallen-Technik zum Einsatz (siehe unsere Nachricht vom 28.05.14). In einem vor kurzem durchgeführten Mainzer Experiment verbesserte die Kollaboration die Genauigkeit des magnetischen Moments des Protons mittels optimierter Doppel-Penningfallen-Technik um den Faktor 11 (siehe unsere Nachricht vom 24.11.17). Der BASE-Kollaboration gelang im letzten Jahr außerdem die Messung des magnetischen Moments des Antiprotons mit der bislang größten relativen Genauigkeit von 1.5·10^-9 (siehe unsere Nachricht vom 18.10.17).
Die Präzision dieser Experimente ist allerdings deutlich durch die Schwingungsenergie der Teilchen in der Penningfalle limitiert. Die Messgenauigkeit wird durch eine Reduzierung der Teilchen-Präparationszeiten aufgrund sympathetischer Kühlung der Protonen/Antiprotonen noch signifikant verbessert werden können.

In einem kürzlich im Journal of Modern Optics veröffentlichten Artikel präsentieren M. Bohman et al. ein kommendes Experiment, bei dem einzelne Protonen und Antiprotonen in einer Penningfalle sympathetisch gekühlt werden, indem die Teilchen durch Verwendung einer gemeinsamen Endkappe resonant an lasergekühlte Beryllium-Ionen gekoppelt werden.
Die Messung des magnetischen Moments eines einzelnen Protons oder Antiprotons in einer Penningfalle basiert auf der Bestimmung des Frequenzverhältnisses von Larmorfrequenz und Zyklotronfrequenz (ν_L/ν_c). Die Larmorfrequenz ν_L wird mittels Nachweis von Spinübergängen bestimmt, die nur bei sehr niedrigen Temperaturen (Zyklotronenergien E₊/k_B < 0.6 K) beobachtet werden können, bei denen die Axialfrequenz ν_z ausreichend stabil ist.

In bisherigen Proton/Antiproton Experimenten kamen zeitaufwändige Methoden der selektiven Widerstandskühlung zum Einsatz, um die Teilchen unter eine Schwelle E₊/k_B < 1 K abzukühlen. Die erfolgreiche sympathetische Kühlung von Protonen und Antiprotonen auf vorhersagbar niedrige Temperaturen durch Kopplung der Teilchen an lasergekühlte Beryllium-Ionen reduziert die Zyklusdauer der Experimente beträchtlich.
Eine Analyse des Energieaustauschs innerhalb des Gesamtsystems führt zu Zyklotronenergien von weniger als 30 mK/k_B. Daher kann man eine Verringerung der Ionenpräparationszeit von nahezu einer Stunde oder mehr auf nur noch einige wenige Minuten erwarten.
Um die sympathetische Kühlung nicht nur auf Protonen, sondern auch auf die negativ geladenen Antiprotonen anwenden zu können, setzt die BASE-Kollaboration in kommenden Experimenten eine Falle für das Proton (oder Antiproton) und eine zweite Falle für die Beryllium-Ionenwolke ein. Beide Fallen werden über eine gemeinsame Endkappe verbunden. Jede Penningfalle besitzt eine äußere Endkappenelektrode, zwei innere Korrekturelektroden, eine zentrale Ringelektrode und die gemeinsame Endkappe.
Für die Umsetzung der neuen sympathetischen Kühlmethode wurde eine stark modifizierte Version des für die Mainzer Protonmessungen im Jahr 2014 eingesetzten Doppel-Penningfallen-Setups aufgebaut. Das neue Fallensystem für ein verbessertes Experiment zur Messung des g-Faktors des Protons besteht aus fünf Fallen: der Source Trap (ST) zur Teilchenpräparation, der Analysis Trap (AT) zur Analyse des Spinzustands, der Precision Trap (PT) zur hochpräzisen Frequenzmessung, der Coupling Trap (CT) zur Kopplung mittels gemeinsamer Endkappe und der Beryllium Trap (BT) zur Speicherung der lasergekühlten Berylliumionen.

Die bevorstehende Anwendung der sympathetischen Kühlung auf Protonen und Antiprotonen durch die Verwendung einer gemeinsamen Endkappe und den Einsatz des neuentwickelten Fünf-Penningfallen-Systems wird einen direkten Test der CPT-Symmetrie mit mehr als einer Größenordnung verbesserter Genauigkeit ermöglichen. Dies wird der bisher präziseste direkte CPT-Vergleich einzelner Baryonen sein.

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