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Aktuelle Nachrichten

24.11.17: Genaueste Messung des magnetischen Moments des Protons mittels optimierter Doppel-Penningfallen-Technik

Das Proton ist einer der fundamentalen Bausteine der stabilen Materie. Die genaue Kenntnis seiner fundamentalen Eigenschaften, wie die Masse (siehe unsere Nachricht vom 18.07.17), seine Lebensdauer, sein Ladungsradius und magnetisches Moment ist daher von großer Bedeutung und Gegenstand zahlreicher aktueller Experimente. Die Masse dient z. B. als freier Parameter für Berechnungen der Quantenelektrodynamik und die Lebenszeit des Protons setzt eine Schranke an eine mögliche Baryonenzahl-Verletzung.
Neben seiner Bedeutung als fundamentaler Baustein ist das Proton eines der wenigen Systeme, das mit seinem Antiteilchen verglichen werden kann – dem Antiproton. Dies erlaubt einen Test der CPT-Symmetrie (C: Ladung, P: Parität, T: Zeit) des Standardmodells der Teilchenphysik und Kosmologie, welches fordert, dass die fundamentalen Eigenschaften eines Teilchens exakt mit den entsprechenden Eigenschaften seines Antiteilchens übereinstimmen. Infolgedessen sollten Teilchen und Antiteilchen in gleichem Maße entstanden sein. Dies steht jedoch im Widerspruch zu der beobachteten Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im sichtbaren Universum. Eine mögliche Erklärung ist eine Verletzung der CPT-Symmetrie. Daher liefert die Messung kleinster Unterschiede zwischen den Eigenschaften eines Protons und denen seines Antiteilchens, dem Antiproton, einen präzisen Test der Teilchen-Antiteilchen-Übereinstimmung im Baryonen-Sektor und der CPT-Symmetrie des Standardmodells.
Das magnetische Moment des Protons μp wurde im Jahr 2014 an der Universität Mainz mit einer zuvor unerreichten relativen Genauigkeit von 3.3·10-9 mittels einer neuartigen Doppel-Penningfallen-Technik direkt gemessen (siehe unsere Nachricht vom 28.05.14). Seitdem haben die Mainzer Forscher Techniken entwickelt, die ihnen erlaubten, die Messung des magnetischen Moments des Protons um mehr als eine Größenordnung zu verbessern.

In einem kürzlich in "Science" veröffentlichten Artikel berichten G. Schneider et al. über eine hochpräzise direkte Messung des magnetischen Moments des Protons μp in Einheiten des Kernmagnetons μN. Die Messung wurde in einem verbesserten Doppel-Penningfallen-System an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz durchgeführt.
Eine Penningfalle wird durch die Überlagerung eines elektrostatischen Quadrupolfeldes und eines homogenen Magnetfeldes B0, das im beschriebenen Proton-Experiment bei 1.9 T lag, realisiert.
Die Messung des Frequenzverhältnisses νL/νc der Larmorfrequenz und der Zyklotronfrequenz ermöglicht die Bestimmung des magnetischen Moments eines einzelnen Protons in der Penningfalle unabhängig vom Magnetfeld B0. Die Zyklotronfrequenz νc lässt sich aus den drei harmonischen Komponenten νz, ν+ und ν- der Protonenbewegung in der Penningfalle über das Invarianztheorem bestimmen: νc2 = ν+2 + νz2 + ν-2. Die Axialfrequenz νz des gespeicherten Protons wird direkt durch zerstörungsfreien Spiegelstromnachweis bestimmt. Die modifizierte Zyklotronfrequenz ν+ und die Magnetronfrequenz ν- werden mittels Seitenbandkopplung gemessen.
Da die Larmorfrequenz νL nicht mit einer oszillierenden Ladung einhergeht, lässt sie sich nicht durch Spiegelstromnachweis bestimmen. Ihre Messung beruht hingegen auf der Spektroskopie des Spinübergangs des Protons. Die Überlagerung eines inhomogenen Magnetfeldes (sogenannte magnetische Flasche) koppelt das magnetische Spinmoment des Protons an seine Axialbewegung und erlaubt damit den zerstörungsfreien Nachweis von Spinübergängen (Spin-Flips) unter Ausnutzung des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts.
Allerdings führt die starke magnetische Flasche zu einer deutlichen Linienverbreiterung der Larmorresonanz und limitiert damit die relative Genauigkeit der Messung auf 10-6 (p.p.m.). Der Einsatz einer Doppel-Penningfallen-Technik umgeht dieses Problem durch die Verwendung von zwei separaten Penningfallen, die durch eine Transportstrecke verbunden sind. Eine Präzisionsfalle (PT) mit einem nahezu homogenen Magnetfeld dient der hochpräzisen Messung von νc und νL, wohingegen in einer Analysefalle (AT) mit der magnetischen Flasche der Spinzustand des Protons bestimmt wird. Durch Einsatz dieser Technik konnte 2014 bei der Messung des g-Faktors des Protons in Mainz eine relative Genauigkeit von 3.3·10-9 erreicht werden.

Das jüngste Mainzer Proton-Experiment verwendete eine im Vergleich zu den Proton-Messungen im Jahr 2014 optimierte Doppel-Penningfallen-Technik. Die Fallengeometrie wurde optimiert, um ein homogeneres Magnetfeld in der PT zu erhalten. Zusammen mit der Implementierung einer supraleitenden selbstabschirmenden Spule erlaubte dies eine Verbesserung der Zyklotronstabilität um eine Größenordnung. Die Breite der g-Faktor-Resonanz, eine der dominierenden Limitierungen in der vorherigen Messung, wurde reduziert durch eine sorgsame Optimierung der Larmor-Anregungsamplitude. Durch den Einsatz eines deutlich verbesserten supraleitenden Detektors für die modifizierte Zyklotronfrequenz ν+, konnte die Teilchen-Präparationszeit für jeden einzelnen Messzyklus reduziert werden. Dies ermöglichte eine doppelt so schnelle Messzeit, was eine höhere Statistik erlaubte. Außerdem stellte die simultane Messung von νL und ν+ anstelle einer nacheinander erfolgenden Bestimmung sicher, dass νL und ν+ bei gleichen Energien und Zeiten gemessen wurden, wodurch viele Beiträge zur systematischen Abweichung eliminiert wurden.
Das endgültige Ergebnis des bestimmten magnetischen Moments des Protons in Einheiten des Kernmagnetons besitzt eine relative Genauigkeit von 3·10-10 (0.3 p.p.b.): μp = 2.792 847 344 62(75)(34) μN. Der Wert in der ersten Klammer gibt die statistische Unsicherheit an, der in der zweiten Klammer die systematische Unsicherheit. Der neue Wert von μp stimmt mit dem aktuell akzeptierten CODATA-Wert (Committee on Data for Science and Technology) überein, ist jedoch um einen Faktor zehn genauer. Er verbessert die Präzision von 3.3·10-9 der Mainzer μp-Messung aus dem Jahr 2014 um einen Faktor elf.

Die BASE-Kollaboration external Link hat kürzlich durch Einsatz der beschriebenen Verbesserungen der Doppel-Penningfallen-Technik das magnetische Moment des Antiprotons mit einer relativen Genauigkeit von 1.5·10-9 gemessen (siehe unsere Nachricht vom 18.10.17).
Die jüngsten Ergebnisse für die magnetischen Momente des Protons und des Antiprotons ermöglichen einen Test der fundamentalen Materie-Antimaterie-Symmetrie im Baryonen-Sektor mit einer relativen Genauigkeit von 10-9 - 10-10. Die Forscher gehen davon aus, dass künftig durch die Reduzierung der Teilchen-Präparationszeiten um mehr als zwei Größenordnungen, Messungen des magnetischen Moments des Protons/Antiprotons mit einer relativen Genauigkeit im Bereich von 10-12 (p.p.t.) möglich sein werden. Hierzu sollen die Protonen/Antiprotonen sympathetisch mittels lasergekühlter Beryllium-Ionen gekühlt werden.

Weitere Informationen finden Sie im "Science"-Artikel ... >

Ein Radiobeitrag external Link (englisch) zur genauesten Messung des magnetischen Moments des Protons (Beginn bei 2:15 Min.).

Weitere Pressemitteilungen:

07.11.17: Massenmessungen an Kupferisotopen unterstützen die Vorhersage einer neuen Insel der Inversion

In Atomkernen besetzen Protonen und Neutronen Quantenniveaus, die durch Energielücken voneinander getrennt sind. Dies führt zu der Anordnung der Energieniveaus der Nukleonen im einfachen Schalenmodell. Dieses beschreibt erfolgreich die Kernstruktur nahe des Tals der Stabilität und erklärt die außergewöhnliche Stabilität von Kernen mit kompletten Protonen- oder Neutronenschalen (d. h. magischen Protonen- oder Neutronenzahlen). Allerdings wurde im Lauf der Jahre durch Untersuchungen an exotischen neutronenreichen Kernen festgestellt, dass die postulierte Stabilität von Kernen mit magischen Zahlen verschwinden kann. Heute weiß man, dass die magischen Zahlen des Schalenmodells N = 8, 20, 28 und 40 bei den sog. "Inseln der Inversion" ihre Gültigkeit verlieren. Weiterentwickelte Schalenmodellberechnungen sagen eine fünfte Insel der Inversion für Z < 28 voraus. Deshalb liegt ein Fokus der aktuellen experimentellen und theoretischen Kernstrukturforschung auf der Region bei Z = 28, N = 50 auf der Nuklidkarte. Der doppelt magische exotische Kern 78Ni ist hierbei von besonderem Interesse und es ist nicht geklärt, ob er die außergewöhnliche Stabilität von klassischen Kernen mit abgeschlossenen Schalen besitzt. Jüngste Untersuchungen mittels Laserspektroskopie haben außerdem deutliche Hinweise darauf gegeben, dass normale nahezu sphärische und deformierte Strukturen nahe bei 78Ni koexistieren (sog. "Form-Koexistenz"). Mit Hilfe von Kupferisotopen in der Nähe von 78Ni lässt sich dessen Struktur sehr gut stellvertretend untersuchen.

In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichten A. Welker et al. über hochpräzise Massenmessungen an den Z = 29 Kupferisotopen 75–79Cu (N = 46-50). Die Messungen wurden mit dem hochauflösenden Multireflexions-Flugzeitmassenspektrometer/-separator (MR-TOF MS) ISOLTRAP external Link an CERN, Genf, durchgeführt.
Ein gereinigtes Kupferionen-Ensemble wurde in eine Präzisions-Penningfalle injiziert, um hochpräzise Massenmessungen mittels der Flugzeit Ionen-Zyklotron-Resonanz Methode (TOF-ICR) durchzuführen. Die TOF-ICR Messungen liefern die Atommassen der untersuchten Kupferionen über die Bestimmung des Verhältnisses der Zyklotronfrequenzen der 85Rb+ Ionen und der Kupferionen. Der Einsatz der MR-TOF MS erlaubte die Massenmessungen bei einer niedrigeren Ausbeute als es bei dem alleinigen Einsatz der Penningfallen-Massenspektrometrie möglich gewesen wäre.
Aus den bestimmten Massenexzess-Werten wurden die Zwei-Neutronen-Separationsenergien S2n der Nuklide in der Nähe von 78Ni hergeleitet. Die S2n-Werte gestatten die Erforschung der Entwicklung der Kernstruktur mit wachsender Neutronenzahl. Die Theorie sagt einen Abfall des S2n-Werts zwischen N = 50 und N = 52 voraus. Dies wäre ein wohlbekannter Hinweis auf magische Kerne. Da sich die neuen Massen nicht über N = 50 hinaus erstrecken, kann der erwartete Abfall des S2n-Werts nicht direkt beobachtet werden. Die neuen Daten unterscheiden sich jedoch deutlich von den früheren Ergebnissen und die Differenz der S2n-Werte zwischen N = 48 und N = 50 zeigt bereits den Effekt der magischen Zahl. Daher erlauben die hochpräzisen Massenmessungen an 75–79Cu die Bestimmung der Massenoberfläche oberhalb von 78Ni und geben einen deutlichen Hinweis auf dessen doppelt magische Natur.

Neben den Massenmessungen wurden großskalige Schalenmodell-Berechnungen unter Anwendung der kürzlich entwickelten PFSDG-U Interaktion durchgeführt. Die neuen Berechnungen sagen das Auftreten von Form-Koexistenz in einem doppelt magischen Kern 78Ni und eine neue Insel der Inversion für Z < 28 voraus. Die berechneten S2n-Werte stimmen sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen für Ni- und Cu-Isotope überein. Hierdurch wird die zugrundeliegende Schalenmodell-Beschreibung dieser exotischen Kerne gestützt.

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 Daniel Bazin.

Bitte lesen Sie auch die Pressemeldungen des idw external Link und des CERN external Link.

PRL Editor's Suggestion
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 external Link)

18.10.17: Genaueste Messung des magnetischen Moments des Antiprotons mittels neuartiger Spektroskopiemethode

Die CPT-Symmetrie (C: Ladung, P: Parität, T: Zeit) des Standardmodells der Teilchenphysik impliziert die exakte Übereinstimmung der Eigenschaften eines Teilchens und seines Antiteilchens. Deshalb ermöglichen präzise Vergleiche der fundamentalen Eigenschaften von Teilchen und deren Antiteilchen sehr empfindliche Tests der CPT-Invarianz. Sie liefern Daten für Erweiterungen des Standardmodells und tragen zu einem besseren Verständnis der Materie-Antimaterie-Asymmetrie unseres Universums bei.

Da das magnetische Moment des Antiprotons 660-mal kleiner als das des Positrons ist, lässt sich sein magnetisches Moment sehr schwer mit hoher Präzision messen. Deshalb ist das magnetische Moment des Antiprotons bisher lediglich mit einer relativen Genauigkeit von 10-6 (p.p.m.) bekannt (siehe unsere Nachricht vom 18.01.17), wohingegen andere Teilchen-/Antiteilchen-Eigenschaften bereits mit einer Genauigkeit von 10-9 (p.p.b.) oder besser verglichen werden konnten.
Im Jahr 2014 wurde das magnetische Moment des Protons in Mainz mit einer relativen Präzision von 3.3·10-9 direkt gemessen (siehe unsere Nachricht vom 28.05.14). Diese hochpräzisen Proton-Messungen beruhten auf dem Einsatz der sehr anspruchsvollen Doppel-Penningfallen-Technik. Die Implementierung dieser Methode für Antiprotonen stellte eine Verbesserung der Genauigkeit der Messung des magnetischen Moments des Antiprotons auf einige 10-9 (p.p.b.) in Aussicht.

In einem kürzlich in "Nature" veröffentlichten Artikel berichten C. Smorra und die BASE-Kollaboration external Link über die Messung des magnetischen Moments des Antiprotons mit einer relativen Genauigkeit von 1.5·10-9. 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.
Die Bestimmung des magnetischen Moments eines in einer Penningfalle gespeicherten Teilchens beruht auf der Messung des Frequenzverhältnisses der Larmorfrequenz (νL) und der Zyklotronfrequenz (νc). Der wesentliche Teil der Messung in dem neuartigen Systems wurde in zwei separaten Penningfallen durchgeführt: einer Analysefalle (AT) mit einem inhomogenen Magnetfeld und einer Präzisionsfalle (PT) mit einem um den Faktor ~105 homogeneren Magnetfeld B0 = 1.945 T.
Im Unterschied zur Doppel-Penningfallen-Technik, die bei der Messung des magnetischen Moments des Protons im Jahr 2014 in Mainz eingesetzt wurde, verwendete die neue Zwei-Teilchen-Technik ein heißes Zyklotron-Antiproton für die Messungen der Zyklotronfrequenz νc und ein kaltes Larmor-Antiproton zur Bestimmung der Larmorfrequenz νL. Daher kam die neue Methode ohne Zyklotron-Kühlung in jedem Messzyklus aus, wodurch die Sampling-Rate erhöht werden konnte.

Die Messung der Larmorfrequenz basiert auf der Spektroskopie des Spinübergangs des Antiprotons. Dafür ist es notwendig den Spinzustand des Antiprotons nicht destruktiv in der magnetischen Flasche der Analysefalle zu bestimmen. Dies wird durch eine Spiegelstromdetektion der axialen Oszillationsfrequenz verwirklicht, da die axiale Schwingungsmode durch die magnetische Flasche an das magnetische Moment des Teilchens gekoppelt ist. Nachdem der Spinzustand des Larmor-Antiprotons bestimmt wurde, wird es in die Präzissionsfalle transportiert, wo ein Spinübergang im homogenen Magnetfeld für die Larmorresonanz getrieben wird. Danach wird der Endzustand dieses Spinübergangs in der Analysefalle bestimmt.

Das Zyklotron-Antiproton wird zur Messung des Magnetfelds in der Präzissionsfalle verwendet. Diese wird vor und nach jedem Spinübergang des Larmorteilchens in der Präzissionsfalle durchgeführt. Während das Larmorteilchen in der Präzissionfalle ist, wird das Zyklotronteilchen in eine Parkelektrode geschoben. Die Zyklotronfrequenzmessung basiert ebenfalls auf der Spiegelstromdetektion. Die drei Oszillationsfrequenzen des gefangenen Antiprotons werden hierzu bestimmt und anschliessend das Invarianztheorem angewandt: νc2 = ν+2 + νz2 + ν-2.
Die Axialfrequenz νz des gespeicherten Antiprotons kann direkt mit dem Spiegelstromdetektor beobachtet werden. Die reduzierte Zyklotronfrequenz ν+ und die Magnetronfrequenz ν- werden durch Seitenbandkopplung der Moden an die Axialmode bestimmt. Hierzu werden Signale im Radiofrequenzbereich bei ν+ - νz bzw. νz + ν- eingestrahlt.

Die neuartige Zwei-Teilchen-Spektroskopiemethode lieferte einen erheblich verbesserten Wert für das magnetische Moment des Antiprotons in Einheiten des Kernmagnetons μN: μp = -2.792 847 344 1 (42) μN. Dieser neue Wert ist etwa 350-mal genauer als das Ergebnis der bislang präzisesten Messung von μp. Er ist mit dem im Jahr 2014 in Mainz gemessenen magnetischen Moment des Protons, μp = 2.792 847 350 (9) μN, konsistent und steht bei der erzielten Genauigkeit im Einklang mit der CPT-Invarianz.

Die BASE-Kollaboration geht davon aus, dass künftig mit einem technisch weiterentwickelten Apparat, der eine verbesserte magnetische Abschirmung, ein verbessertes System zum Widerstandskühlen für den Zyklotronmode mit niedrigerer Temperatur und eine Präzisionsfalle mit einem 10-fach homogeneren Magnetfeld besitzt, das Limit für unter CPT-Transformation ungerade Wechselwirkungen aus Vergleichen der magnetischen Momente von Proton und Antiproton um den Faktor 10 verbessert werden kann.

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

Bitte lesen Sie auch die Pressemeldung des MPIK external Link.

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