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18.07.17: Genaueste Messung der Protonenmasse

Die Masse des Protons m_p ist eine fundamentale Konstante, die sehr wichtig für die Entwicklung eines genauen quantitativen Verständnisses der Naturgesetze und ihrer Symmetrien ist. Ihr Wert wird unter anderem für den präzisen Vergleich von Protonenmasse und Antiprotonenmasse benötigt, welcher einen sehr genauen Test der fundamentalen CPT-Symmetrie (C:Ladung, P:Parität, T:Zeit) ermöglicht.
Massenmessungen beruhen grundsätzlich auf dem Vergleich der zu messenden Masse mit einer möglichst genau bekannten Referenzmasse. Die Zyklotronfrequenz ν_c eines in einer Penningfalle gespeicherten Ions ist proportional zu seinem Ladung-zu-Masse-Verhältnis q/m: ν_c = 1/(2π) (q/m) B. Penningfallen-Massenmessungen an Protonen basieren daher auf dem Vergleich der Zyklotronfrequenz des Protons mit der Zyklotronfrequenz eines Referenzions im gleichen homogenen Magnetfeld B.

In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichten F. Heiße et al. über eine hochpräzise Messung der Protonenmasse m_p in atomaren Masseneinheiten, die auf dem Vergleich der Zyklotronfrequenzen des Protons und hochgeladener Kohlenstoffionen (¹²C⁶⁺) beruhte. Die Masse von ¹²C⁶⁺ lässt sich mit der Masse von ¹²C bzw. der atomaren Masseneinheit verknüpfen, indem man ihren Wert um die sechs fehlenden Elektronen sowie die zugehörigen Bindungsenergien korrigiert.
Die Messungen wurden in einem hoch optimierten kryogenen (4 K) Penningfallensystem durchgeführt, das eigens für Massenmessungen an leichten Ionen aufgebaut wurde. Der supraleitende Magnet und der Flüssighelium-Kryostat des vorausgegangenen Mainzer g-Faktor Experiments für hochgeladene Ionen konnten wieder verwendet werden. Die Fallensektion sowie die kryogene Nachweiselektronik wurden hingegen neu entwickelt. Der neue Fallenturm beinhaltet zwei separate Speicherfallen und die Messfalle (MT).
Die Ionen werden in einer Miniatur-Elektronenstrahl-Ionenquelle (EBIS) produziert. Indem die beiden einzelnen Ionen zwischen den beiden Speicherfallen und der Messfalle hin- und hertransportiert werden, wird die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Messungen in der Messfalle minimiert. Erstmals wurden hierbei zwei unabhängige supraleitende Nachweis-Schaltkreise für das Proton und das Kohlenstoffion implementiert, die sehr genau aufeinander abgestimmt werden mussten. Hierdurch waren Messungen bei identischen elektrostatischen und magnetischen Feldkonfigurationen möglich, d. h. bei gleichen Positionen der Teilchen in der Falle.

Die Zyklotronfrequenz ν_c wird mit Hilfe des Invarianztheorems aus den drei Eigenfrequenzen der Bewegung des Teilchens in der Penningfalle bestimmt: ν_c = (ν₊² + ν_z² + ν_-²)^1/2. Von den drei unabhängigen Eigenbewegungen kann der Schwingkreis lediglich die Axialbewegung direkt nachweisen. Zur Bestimmung der Axialfrequenzen der gespeicherten Ionen, wurde der Spiegelstrom gemessen, den die Ionen in den Fallenelektroden induzieren, wenn sie mit der axialen Eigenfrequenz ν_z von etwa 525 kHz für ¹²C⁶⁺ bzw. 740 kHz für das Proton oszillieren. Die Axialfrequenz ν_z erhielt man dann durch Auswertung eines Dip-Spektrums, die modifizierte Zyklotronfrequenz ν₊ (und auf gleiche Weise die Magnetronfrequenz ν_-) wurde mit Hilfe einer "Double-Dip"-Methode gemessen. Hierbei wurde die modifizierte Zyklotronbewegung über eine Seitenbandanregung ν₊ - ν_z so an die axiale Bewegung gekoppelt, dass der axiale Dip in einen Doppeldip aufspaltet.
Weil die Unsicherheit von ν₊ in der Invarianzrelation dominiert, kam zusätzlich die um etwa eine Größenordnung genauere phasensensitive PnA (Pulse and Amplify) Technik zur hochpräzisen Bestimmung von ν₊, mit sehr niedriger kinetischer Energie des Ions und folglich geringen systematischen Frequenzverschiebungen, zum Einsatz.

Unter Berücksichtigung der statistischen Unsicherheiten (erste Klammer) sowie der systematischen Verschiebungen und deren Unsicherheiten (zweite Klammer) der PnA-Daten, ergab sich das Verhältnis ν_c(¹²C⁶⁺)/ν_c(p) = 0.503 776 367 662 4(77)(146). Hierbei listen wir den statistischen und den systematischen Fehler separat auf. Das um etwa einen Faktor vier ungenauere Ergebnis aus der "Double-Dip"-Methode stimmte hervorragend mit dem PnA-Ergebnis überein.
Aus diesem Verhältnis der Zyklotronfrequenzen wurde die Protonenmasse in atomaren Masseneinheiten zu m_p = ν_c(¹²C⁶⁺)/ν_c(p)·m(¹²C⁶⁺)/6 = 1.007 276 466 583(15)(29) u berechnet. Der Wert von m_p besitzt eine relative Genauigkeit von 32·10⁻¹² (32 ppt) und ist damit um einen Faktor drei genauer als der aktuelle CODATA (Committee on Data for Science and Technology) Wert. Die Masse des Protons ist außerdem drei Standardabweichungen kleiner als der Literaturwert.

Unter Verwendung der unabhängig gemessenen Elektronenmasse m_e, lieferte der neue Wert von m_p außerdem ein um einen Faktor zwei genaueres Massenverhältnis von Proton zu Elektron m_p/m_e = 1 836.152 673 346(81).

Weitere Informationen finden Sie im Physical Review Letters Artikel ... >

Bitte lesen Sie auch die Pressemeldung des MPIK und die Synopsis von Michael Schirber.

Weitere Pressemitteilungen:

17.07.17: Erste Photodetachment-Spektroskopie an einem schnellen OH^- Strahl im CSR

Molekulare Anionen spielen eine wichtige Rolle bei chemischen Reaktionen im interstellaren Raum und in planetaren Atmosphären. Sie wurden beispielsweise in der Ionosphäre des Saturnmondes Titan beobachtet. Ionenfallen bieten eine Strahlungsabschirmung und extrem niedrige Drücke für Laborexperimente mit ruhenden Ionen.

Neuere Experimente mit molekularen Ionen widmeten sich in erster Linie ihrer Kühlung in Laserfeldern oder durch Stöße mit anderen Teilchen. Untersuchungen mit Ionen, die sich über lange Zeit im leeren Raum befinden, sind dagegen selten. Seit kurzem ermöglichen Tieftemperatur-Speicherringe solche Untersuchungen, in denen sehr lange Speicherdauern für Ionen erreicht werden und wo infolge ihrer schnellen Bewegung die Ionen einzeln nachgewiesen werden können. Insbesondere können negative Ionen, in denen neutrale Atome oder Moleküle ein zusätzliches Elektron binden, durch das Photodetachment – die Ablösung dieses Elektrons mit Licht – einzeln nachgewiesen werden.

Am MPIK Heidelberg wurde im Mai 2016 der neuartige ultrakalte Speicherring CSR eingeweiht, mit dem Experimente unter Weltraumbedingungen durchgeführt werden können. Er erlaubt die Untersuchung negativer Ionen mit Lebensdauern von Minuten oder Stunden. Beispielsweise können kleine molekulare Anionen wie OH^- im CSR gespeichert werden, um deren Wechselwirkungen in den niedrigsten Rotationszuständen zu erforschen, die für die Bildung von Molekülen im interstellaren Raum sowie für die Tieftemperatur-Plasmachemie allgemein entscheidend sind.

In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel berichten C. Meyer et al. über ein Photodetachment-Experiment an OH^- Molekül-Anionen im kryogenen Speicherring CSR am MPIK Heidelberg, bei dem die inneren Anregungszustände dieses Moleküls aufgelöst wurden. Ein Strahl mit OH^- Anionen aus einer Cs Sputter-Ionenquelle wurde auf 60 keV beschleunigt und in den ultrakalten Speicherring injiziert. Ungefähr 10⁷ Ionen wurden bei einer Umgebungstemperatur nahe 6 K (-267 °C) und in extrem hohem Vakuum (unter 10^-14 mbar) gespeichert. Die Speicherdauer betrug bis zu 1200 s (20 Min.). Dies ermöglichte die Beobachtung des spontanen Zerfalls niedrig liegender angeregter Rotationszustände von OH^- und die der Rotationsrelaxation im Vakuum über Speicherzeiten, die lang im Vergleich zur Lebensdauer im ersten angeregten Rotationsniveau sind.
Frequenz- und zeitabhängige Photodetachment-Spektrometrie wurde durchgeführt, indem Laserstrahlen mit dem Ionenstrahl in fast gleicher Ausbreitungsrichtung überlagert wurden. Die schnellen neutralen Teilchen, die durch Photodetachment mit einer stetig niedrigen Rate produziert wurden, wurden mit einem großen Microchannel Plate Detector ca. 3 m von der Wechselwirkungsregion entfernt gezählt.

Eine effektive Strahlungstemperatur von T_r = 15.1(1) K wurde gemessen, wobei etwa 90% aller Ionen sich im Rotations-Grundzustand befanden.
Die Einstein-Koeffizienten A_J, die natürlichen Lebensdauern τ_J = (A_J)^-1 sowie die korrespondierenden Übergangsdipolmomente konnten für die niedrigsten OH^- Rotationszustände (J = 1,2,3) bestimmt werden. Für die natürliche Lebensdauer des ersten angeregten Rotationsniveaus J = 1 ergab sich ein Wert von ca. 193 s. Solche direkte Lebensdauermessungen im Vakuum an niedrig liegenden, ausschließlich rotationsangeregten Zuständen in kleinen Molekülen sind bisher noch nicht durchgeführt und beschrieben worden. Das elektrische Dipolmoment wurde mit einer Unsicherheit von 1.5% gemessen. Es weicht deutlich von den verfügbaren theoretischen Werten ab.
Bei Photon-Energien nahe der Bindungsenergie der Elektronen, ist der Photodetachment-Wirkungsquerschnitt eine wichtige Informationsquelle für die internen Zustände des Anions und des neutralen Tochtermoleküls sowie für die Wechselwirkung des abgehenden niederenergetischen Elektrons mit dem neutralen Molekül. Deshalb wurden zusätzlich auch die relativen Photodetachment-Wirkungsquerschnitte einiger schwellennaher Energien für individuelle Rotationszustände von OH^- bestimmt.

Die Photodetachment-Spektroskopie im CSR ermöglicht präzise Labormessungen natürlicher Lebensdauern und Linienintensitäten für extrem langsame, reine Rotationsübergänge in molekularen Ionen. Gegenwärtig werden Linienstärken für ionische Rotationsübergänge allgemein aus Berechnungen molekularer Dipolmomente gewonnen. Somit liefert die Messung von Rotationslebensdauern eine zusätzliche, bislang nicht verfügbare Möglichkeit zur experimentellen Überprüfung quantenchemischer Berechnungen.
Außerdem kann die Einzelniveau-Sensitivität der zeitabhängigen schwellennahen Photodetachment-Spektroskopie im CSR künftig dazu benutzt werden, Änderungen in der Besetzung von Rotationszuständen durch Molekülkollisionen im Speicherring zu untersuchen.

Weitere Informationen finden Sie im Physical Review Letters Artikel ... >

Bitte lesen Sie auch die Pressemeldung des MPIK und die Focus Story über den Artikel.

23.06.17: Übersichtsartikel zum direkten Neutrinomassen-Experiment ECHo

Bereits im Jahr 1930 postulierte Wolfgang Pauli für die Erklärung des β-Zerfalls ein neues neutrales Teilchen, das Enrico Fermi 1933 als "Neutrino" bezeichnete. 1956 konnte die Existenz von Neutrinos experimentell nachgewiesen werden. 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.
Aus Neutrinooszillationsexperimenten lässt sich lediglich die quadratische Massendifferenz gewinnen, jedoch keine Information über die absolute Neutrinomasse.
Die Bestimmung der Neutrinomassen ist eine der größen Herausforderungen bei der Erforschung der fundamentalen Eigenschaften von Elementarteilchen. Obwohl hundert Billionen Neutrinos jeden Menschen pro Sekunde durchqueren, kennen wir deshalb dennoch bis heute ihre winzige Masse nicht. Bislang konnten nur Obergrenzen für die Neutrinomasse bestimmt werden, die bestätigen, dass sie sehr klein ist, aber nicht Null, wie vom aktuellen Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt. Dieses ist daher unvollständig und bedarf einer Erweiterung, um die Struktur des Universums und die Hierarchie der Massen zu verstehen sowie eine große vereinheitlichte Theorie zu entwickeln.
Die einzige modellunabhängige Möglichkeit zur Bestimmung der absoluten Neutrinomassen sind Präzisionsmessungen der Kinematik der schwachen Wechselwirkungen. Das KArlsruhe TRItium Neutrino (KATRIN) Experiment wurde zur direkten Messung der Masse des Elektron-Antineutrinos mit einer Empfindlichkeit von 0.2 eV entworfen. Im Electron Capture 163-Ho Experiment (ECHo) beabsichtigt die ECHo-Kollaboration , die Neutrinomasse aus Messungen der emittierten Energie beim Übergang des künstlichen Holmium-163-Isotops durch Elektroneneinfang in das stabile Dysprosium-163 zu extrahieren.

In einem kürzlich im "European Physical Journal Special Topics" erschienenen Übersichtsartikel erörtert die ECHo-Kollaboration die Gründe, Erwartungen sowie die ersten beiden Phasen des ECHo-Experiments. Dieses wurde erdacht, um für die Masse des Elektron-Neutrinos eine Empfindlichkeit unter 1 eV zu erreichen, indem man das Ende des kalorimetrisch gemessenen Spektrums des Elektroneneinfangs von ¹⁶³Ho analysiert. Für diese Empfindlichkeit unter 1 eV muss eine Vielzahl von hochmodernen Technologien entwickelt werden, z. B. die Produktion großer Mengen an hochreinem Holmium-163 sowie die Entwicklung von großen Metallic Magnetic Calorimeters (MMCs) Arrays und eine genaue Parametrisierung des ¹⁶³Ho-Spektrums.

Das ECHo-Experiment wird in verschiedene Phasen unterteilt sein. Die erste Phase, das aktuelle mittelgroße Experiment ECHo-1k, ist ein dreijähriges Projekt, das im Jahr 2015 begonnen wurde. Mit ihm wird eine Empfindlichkeit unter 10 eV für die Masse des Elektron-Neutrinos erreicht werden, indem etwa 1000 Bq (1 Kilobecquerel) an radiochemisch hochreinem ¹⁶³Ho eingesetzt wird, das auf ein Array aus etwa 100 Niedrigtemperatur-MCCs-Detektoren verteilt sein wird.
Bereits in der ersten Phase von ECHo-1k konnten sehr interessante Ergebnisse erzielt werde, beispielsweise die Entdeckung spektraler Strukturen aufgrund angeregter Zustände höherer Ordnung in ¹⁶³Dy. Des Weiteren war unsere Arbeitsgruppe am MPIK an der ersten direkten hochpräzisen Bestimmung der Differenz der Atommassen von ¹⁶³Ho und ¹⁶³Dy mit dem Penningfallen-Massenspektrometer SHIPTRAP beteiligt, bei der die sog. Phase-Imaging Ion-Cyclotron-Resonance (PI-ICR) Technik zum Einsatz kam. Die Messung ergab einen Q_EC-Wert von 2833 eV mit einer Unsicherheit von nur wenigen 10 eV, so dass man zuversichtlich sein kann, dass in der ECHo-1k-Phase für die Neutrinomasse eine Empfindlichkeit kleiner 10 eV erreicht werden kann.

Die zweite Phase, ECHo-1M, wird derzeit geprüft und wird nach Abschluss von ECHo-1k beginnen. Bei ECHo-1M wird eine ¹⁶³Ho Aktivität von 1 MBq, eingebettet in große MMCs Arrays, erreicht werden und eine Empfindlichkeit für die Elektron-Neutrino-Masse unter 1 eV angestrebt. Diese hohe Empfindlichkeit erfordert insbesondere eine direkte Messung des Q_EC-Werts des Elektroneneinfangs in ¹⁶³Ho mit einer bisher unerreichten niedrigen Unsicherheit von etwa 1 eV. Dies wird durch die Verbesserung der Genauigkeit des Werts der Zerfallsenergie (Q_EC) um eine Größenordnung möglich. Hierfür wird durch unsere Arbeitsgruppe am MPIK Heidelberg zurzeit das Penningfallen-Massenspektrometer PENTATRAP aufgebaut.

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24.04.17: Übersichtsartikel zu neuen Methoden und Highlights der kollinearen Laserspektroskopie an ISOLDE

In einem kürzlich im "Journal of Physics G" veröffentlichten Übersichtsartikel berichten R. Neugart et al. über neue Methoden und Highlights der kollinearen Laserspektroskopie am ISOLDE on-line Isotopenseparator am CERN in Genf.

Die kollineare Laserspektroskopie an ISOLDE hat eine erfolgreiche Geschichte von mehr als 35 Jahren. Das COLLAPS (COLlinear LAser SPectroscopy) Setup wurde an ISOLDE eingeführt, um fundamentale Eigenschaften exotischer Kerne wie den Spin des Grundzustands, elektromagnetische Momente und Kernladungsradien zu untersuchen. Im Jahr 1980 wurde das erste COLLAPS-Setup fertig gestellt und erste erfolgreiche Experimente an neutronenreichen Barium-Isotopen durchgeführt. Es folgten bis 1990 zahlreiche Untersuchungen weiterer Isotopenketten, überwiegend in der Region schwererer Kerne.
Im Jahr 1992 begann eine zweite Periode von COLLAPS-Experimenten am neuen ISOLDE-Standort am Proton Synchrotron Booster (PSB) des CERN. Während dieser Periode wurden hochempfindliche experimentelle Techniken entwickelt, die die Eigenschaften spezieller Klassen atomarer Systeme nutzten.

Die klassische kollineare Laserspektroskopie an der COLLAPS-Beamline basiert auf einer einzelnen resonanten Anregung durch einen Dauerstrichlaser (cw laser) und der Nutzung des Fluoreszenzzerfalls vom angeregten Niveau als eine direkte Nachweismethode. Zur Verbesserung der Empfindlichkeit von COLLAPS wurde ein rf quadrupole cooler and ion buncher (RFQCB), der Ionenkühler-Buncher ISCOOL , an ISOLDE installiert. Dieser liefert radioaktive Strahlen mit erhöhter Qualität, wodurch eine Background-Unterdrückung von mehreren Größenordnungen ermöglicht wird. Seit Herbst 2008 wurde bei nahezu allen optischen Nachweisexperimenten an COLLAPS diese neue Methode mit dem Einsatz von ISCOOL verwendet.

Die Kombination von kollinearer Laserspektroskopie mit dem Prinzip der Laserresonanzionisation wird im neuen CRIS (Collinear Resonance Ionisation Spectroscopy) Setup an ISOLDE eingesetzt. Die kollineare Resonanzionisation benutzt einen zweiten (oder dritten) Laser, um das Niveau, das im ersten hochauflösenden Schritt bevölkert wird, weiter ins Kontinuum anzuregen und folglich die Atome zu ionisieren. Dies ist ein sehr selektiver Prozess, der den sehr effizienten Nachweis von optischer Resonanz nahezu ohne jeglichen Background durch Ionenzählung erlaubt. Seit 2012 wird die neuartige CRIS-Technik mit vielversprechenden Ergebnissen für Messungen an der Francium-Isotopenkette eingesetzt.

Die Einführung von ISCOOL und der neuen CRIS-Methode an ISOLDE brachte einen Durchbruch bei der Empfindlichkeit für Nuklide innerhalb weiter Massebereiche. Die Bestimmung der Grundzustandseigenschaften von Kernen entlang von Isotopenketten mittels kollinearer Laserspektroskopie ist mittlerweile in der kernphysikalischen Forschung mit radioaktiven Strahlen unverzichtbar.

Der Übersichtsartikel gibt detaillierte Informationen zum experimentellen Prinzip der kollinearen Laserspektroskopie, zu den neuen Methoden und Highlights seit 2000 sowie zu den wichtigsten geplanten Entwicklungen an ISOLDE. Zwei Beispiele sind eine vorgeschlagene Electrostatic Ion Beam Trap (EIBT) für ultra-sensitive kollineare Laserspektroskopie von Radionukliden und die beabsichtigte Installation des Schwerionenspeicherrings TSR vom MPIK Heidelberg, der hervorragende Möglichkeiten für die Untersuchung sehr anspruchsvoller Fälle bietet, die bislang an ISOLDE noch nicht behandelt werden konnten ... >

21.03.17: Erste Beobachtung einzelner Spin-Quantenübergänge eines einzelnen Antiprotons

In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Spektroskopieexperimente durchgeführt, die auf der Beobachtung von Quantenphänomenen in Elektron/Positron Systemen beruhten und empfindliche Messungen mit höchster Genauigkeit ermöglichten. Diese führten z. B. zur Entwicklung erster optischer Frequenzstandards, zu präzisen Messungen des Planck'schen Wirkungsquantums, zur genauesten Messung der Feinstrukturkonstante sowie zu einem empfindlichen Test der fundamentalen CPT-Symmetrie (C:Ladung, P:Parität, T:Zeit). Im Jahr 2012 wurden erstmals Quantenübergänge eines reinen Antimateriesystems (Antiwasserstoff) beobachtet.
Um vergleichbare Beobachtungen auch im Proton/Antiproton System zu ermöglichen, benötigt man eine deutlich höhere experimentelle Empfindlichkeit. Deshalb ist die Anwendung von Spektroskopiemethoden, die auf Quantenübergängen beruhen, deutlich anspruchsvoller als beim Elektron/Positron System. Die kürzliche Beobachtung einzelner Spinübergänge eines einzelnen gespeicherten Protons führte zur hochpräzisen Messung des magnetischen Moments des Protons im Jahr 2015 mit einer relativen Genauigkeit von 3.3·10^-9.

In einem kürzlich in Physics Letters B veröffentlichten Artikel berichten C. Smorra et al. über den ersten zerstörungsfreien Nachweis einzelner Spinübergänge eines einzelnen Antiprotons. Das Experiment wurde mit dem BASE Penningfallen-System am Antiproton Decelerator (AD) am CERN in Genf durchgeführt.
Das BASE Penningfallen-System besteht aus vier Penningfallen, die in der horizontalen Bohrung eines supraleitenden Magneten montiert sind. Eine Reservoirfalle (RT) dient als Interface zwischen dem AD und den Messfallen und liefert bei Bedarf einzelne Teilchen aus dem Reservoir in die anderen Fallen. Die Präzisionsfalle (PT) und die Kühlfalle (CT) werden für die genauen Frequenzmessungen bzw. das effiziente Kühlen der modifizierten Zyklotronmode benötigt. Durch Ausnutzung des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts in der 5-Pol Analysefalle (AT) mit einer überlagerten magnetischen Flasche von B_z = 272(15) mT/mm², die von einem supraleitenden Magneten mit der Feldstärke B₀ = 1.945 T erzeugt wurde, konnten einzelne Spin-Quantenübergänge beobachtet werden. Hierdurch wurde das magnetische Spinmoment des gespeicherten Antiprotons an seine axiale Frequenz ν_z gekoppelt.
Im beschriebenen Antiproton-Experiment lag die Fluktuation der axialen Frequenz des Teilchens in der magnetischen Flasche bei 48.1mHz für eine mittlere Nachweisdauer von 96s. Unter diesen Bedingungen konnte gezeigt werden, dass 92.1% der in der Messsequenz nachgewiesenen Spinzustände korrekt identifiziert werden.

Um den g-Faktor des Antiprotons mit sehr hoher Genauigkeit messen zu können, beabsichtigt die BASE Kollaboration , die anspruchsvolle Doppel-Penningfallen-Technik einzusetzen. Diese wurde erstmals 2013 an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz erfolgreich mit einem einzelnen Proton demonstriert. Im BASE Antiproton-Experiment wurde für die Initialisierung des Spinzustands eine Zuverlässigkeit von >99.9% sowie eine durchschnittliche Vorbereitungsdauer von 24 Minuten erzielt. Dies erlaubt eine Messung des g-Faktors des Antiprotons mittels Doppel-Penningfallen-Technik mit hohem Kontrast, so dass die angestrebte relative Genauigkeit im Bereich von einigen p.p.b. (10^-9) erreicht werden kann. Diese hohe Präzision wird einen der strengsten Tests der CPT-Symmetrie im Baryonensektor ermöglichen.

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18.01.17: BASE Kollaboration misst den g-Faktor des Antiprotons mit höchster Genauigkeit

Das beobachtbare Universum zeigt kein Materie-Antimaterie Gleichgewicht, sondern besteht überwiegend aus Materie. In der Teilchenphysik wird jedes Teilchen jedoch gemeinsam mit seinem korrespondierenden Antiteilchen erzeugt und solche Teilchen-Antiteilchen-Paare vernichten sich gegenseitig. Um das offenkundige Materie-Antimaterie Ungleichgewicht auf kosmologischer Skala zu erkären, nehmen Wissenschaftler an, dass es unmittelbar nach der Entstehung des Universums etwas mehr Materie als Antimaterie gegeben haben muss, so dass sämtliche Antimaterie vernichtet wurde und nur Materie übrig blieb. Gemäß der fundamentalen CPT-Symmetrie (C:Ladung, P:Parität, T:Zeit) des Standardmodells der Teilchenphysik stimmen ein Teilchen und sein Antiteilchen in ihren fundamentalen Eigenschaften exakt überein. Deshalb ermöglicht der sehr genaue Vergleich der Eigenschaften eines Teilchens und seines Antiteilchens einen Test der CPT-Symmetrie und trägt zu einem besseren Verständnis der Materie-Antimaterie-Asymmetrie in unserem Universum bei. Dies inspiriert Physiker, neuartige Techniken und Experimente zu entwickeln, um kleinste Unterschiede zwischen den Eigenschaften von Materie und Antimaterie aufzuspüren.

In einem kürzlich in "Nature Communications" veröffentlichten Artikel berichten H. Nagahama et al. über hochpräzise Messungen des magnetischen Moments des Antiprotons am Baryon Antibaryon Symmetry Experiment (BASE) am Antiproton Decelerator (AD) am CERN in Genf. Ziel des Experiments war ein strenger Test der CPT-Symmetrie durch den hochpräzisen Vergleich des magnetischen Moments des Protons und des Antiprotons. Die dazu eingesetzte Spin-Flip-Technik wurde bereits erfolgreich bei Elektronen und Positronen angewendet. Ihr Einsatz zur Messung des magnetischen Moments des Protons/Antiprotons ist allerdings deutlich anspruchsvoller, da deren magnetische Momente 660 Mal kleiner sind. Der Nachweis von Spin-Flips einzelner Antiprotonen erforderte daher eine speziell entworfene extrem starke magnetische Flasche mit einer mehr als 1000 Mal stärkeren Inhomogenität (2.88·10⁵ Tm^-2) als das bei den Elektron/Positron Experimenten eingesetzte inhomogene Magnetfeld.

Im Rahmen von BASE werden die g-Faktoren von Proton und Antiproton bestimmt, indem das jeweilige Verhältnis von Spin-Präzessionsfrequenz ν_L (Larmor-Frequenz) zur Zyklotronfrequenz ν_c gemessen wird. Die Spin-Präzessionsfrequenz wird über den zerstörungsfreien Nachweis von Spin-Quantenübergängen mittels des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts gemessen. Die Zyklotronfrequenz ergibt sich mit Hilfe des Invarianztheorems aus den Eigenfrequenzen der Bewegung des Teilchens in der Penningfalle: ν_c² = ν₊² + ν_z² + ν_-². Die modifizierte Zyklotronfrequenz ν₊, die axiale Frequenz ν_z und die Magnetronfrequenz ν_- werden mittels Spiegelstrom-Nachweis gemessen.
Das BASE Experiment verwendet ein Drei-Penningfallen-System, welches in der horizontalen Bohrung eines supraleitenden Magneten mit der Feldstärke B=1.945 T montiert ist. Eine Teilchenwolke aus Antiprotonen wird in der Reservoirfalle (RT) gespeichert. Diese liefert der Co-Magnetometer-Falle (CT) sowie der Analysefalle (AT) bei Bedarf einzelne Teilchen. Die CT dient kontinuierlichen Magnetfeld-Messungen. Die AT ist die Falle, der das sehr inhomogene magnetische Feld (magnetische Flasche) überlagert wird und dient der Messung der Zyklotron- und der Larmor-Frequenz.

Es wurden sechs direkte g-Faktor Messungen an einzelnen Antiprotonen mit einer relativen Genaugkeit von 0.8 p.p.m (10^-6) durchgeführt. Der neue Wert von 2,7928465(23) ist sechs Mal genauer als der der bisherigen besten Messung durch die ATRAP Kollaboration in 2013 am CERN. Er stimmt mit dem genauesten Wert des g-Faktors des Protons von 2,792847350(9), der 2014 an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz gemessen wurde, sehr gut überein. Somit bestätigen die g-Faktor Messungen die fundamentale Ladungs-, Parität-, Zeit-Invarianz des Standardmodells der Teilchenphysik.
Die 1000 Mal genaueren Mainzer Proton-Messungen basieren auf dem Einsatz der sehr anspruchsvollen Doppel-Penningfallen-Technik. Die BASE Kollaboration beabsichtigt, diese Methode zur Anhebung der Genauigkeit der Antiproton-Messungen in den Bereich von einigen p.p.b. (10^-9) zu implementieren.

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

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10.01.17: Kernstrukturuntersuchungen und Vielteilchen QED Tests mittels hochpräziser Laserspektroskopie an Be⁺

Die Untersuchung der Atomstruktur durch hochpräzise Laserspektroskopie ist für das Verständnis fundamentaler physikalischer Fragestellungen sehr bedeutsam. Sie gibt z. B. einen genauen Einblick in die Grundzustandseigenschaften kurzlebiger Kerne, beispielsweise den Kernladungsradius. Hierdurch können Kernstrukturmodelle getestet und verbessert werden. Des Weiteren ist die Kombination von Laserspektroskopie mit theoretischen Berechnungen unverzichtbar für die Erforschung der Quantenelektrodynamik von Vielteilchensystemen in schwachen und starken Feldern.

In einem kürzlich in Applied Physics B veröffentlichten Artikel berichten A. Krieger et al. über hochpräzise Messungen an stabilen und radioaktiven Beryllium-Isotopen an der COLLAPS collinear spectroscopy beam line an CERN-ISOLDE in Genf. Diese Untersuchungen hatten zum Ziel, genauere Informationen zur Kernstruktur zu erhalten sowie einen wichtigen Test für bound-state QED Berechnungen in Drei-Elektronen-Systemen zur Verfügung zu stellen.
Die Methode der konventionellen kollinearen Laserspektroskopie wurde hierfür weiterentwickelt und mit einem Frequenzkamm kombiniert, um hochpräzise Messungen der Übergangsfrequenzen der D1 und D2 Übergänge 2s²S_1/2 → 2p²P_1/2,3/2 in Be⁺ zu ermöglichen. Zur Vermeidung der limitierten Genauigkeit der konventionellen kollinearen Laserspektroskopie aufgrund der Unsicherheit bei der Bestimmung der Ionen-Beschleunigungsspannung, wurde die quasi-simultane Anregung durch einen kollinearen und einen antikollinearen Laserstrahl eingeführt. Dazu wurden zwei frequenzstabilisierte Farbstofflaser benötigt, deren UV-Laserstrahlen dem Beryllium-Ionenstrahl in entgegengesetzter Richtung überlagert wurden.
Die Isotopieverschiebungen wurden in zwei Strahlzeiten als Differenz zwischen der Übergangsfrequenz des betrachteten Be-Isotops und des stabilen Referenz-Isotops ⁹Be erhalten. Der Einsatz eines Frequenzkamms erlaubte die Bestimmung der Laserfrequenzen mit der erforderlichen relativen Genauigkeit kleiner 10⁻⁹. Damit konnten die Isotopieverschiebungen mit einer Genauigkeit von besser als 10⁻⁵ ermittelt werden.
Aus seiner Isotopieverschiebung lässt sich die zugehörige Änderung im mittleren quadratischen Ladungsradius des Isotops ableiten. Die genauen Isotopieverschiebungen führten somit zu einer präzisen Bestimmung der Kernladungsradien entlang der Beryllium Isotopenkette ^7,10−12Be relativ zum stabilen Isotop ⁹Be.

Darüber hinaus wurde die 2p Feinstrukturaufspaltung als Funktion der Ordnungszahl entlang der Beryllium-Isotopenkette aus den genauen Übergangfrequenzen extrahiert. Hochpräzise Berechnungen der Feinstrukturaufspaltung in Drei-Elektronen-Systemen sind erst seit kurzem möglich. Daher lieferten die Messungen auch einen Test für solche hochpräzisen bound-state QED Berechnungen. Die experimentellen Ergebnisse bestätigten erste Berechnungen für das Z=4 Drei-Elektronen-System von Be⁺. Die gemessene Massenabhängigkeit der Feinstrukturaufspaltung von ^7,10−12Be ermöglichte zudem eine Überprüfung der sog. Splitting Isotope Shift (SIS), die mit sehr hoher Genauigkeit theoretisch berechnet werden kann.

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