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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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