Kerne – Entstehung der Elemente und fundamentale Eigenschaften


Der Farbcode der Nuklidkarte zeigt die Bindungsenergie pro Nukleon: die stabilsten Nuklide rund um Eisen sind dunkelblau dargestellt.

Die chemische Zusammensetzung unseres Universums weist überraschende Besonderheiten auf: Die Sonne besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium; Eisen ist auf der Erde viel häufiger als schwere Elemente wie Gold. Die Nukleosynthese durch Fusions- und Einfangprozesse folgt Reaktionswegen, die teils noch unverstanden sind. Während Kernfusion bis zum Eisen führt, werden schwerere Elemente durch Einfang von Protonen oder Neutronen unter extremen Bedingungen wie in Supernovaexplosionen oder in Akkretionsscheiben um Schwarze Löcher oder Neutronensterne erzeugt.

Basierend auf Einsteins Prinzip der Masse-Energie-Äquivalenz kann man mittels hochpräziser Massenmessungen Bindungsenergien von Nukliden bestimmen, die für Reaktionswege der Nukleosynthese entscheidend sind. Die Struktur von Kernen fernab der Stabilität wird in Kombination mit theoretischen Modellen erforscht. Massenbestimmungen dieser meist kurzlebigen exotischen, (z. B. neutronenreichen) Kerne dienen der Erkundung der „Terra incognita“ der Nuklidkarte. Dies hilft herauszufinden, wie viele Nuklide es insgesamt gibt.

Die präziseste Messung der Protonenmasse ergab einen kleineren Wert verglichen mit dem vorher akzeptierten und trägt dazu bei, Unstimmigkeiten bei den Massen leichter Kerne aufzulösen.

Abteilung Blaum

Penning-Fallen: Präzisionsmessungen an einzelnen Ionen (pdf)

Fallen und kryogener Speicherring


Die ALPHATRAP-Penningfalle für hochgeladene Ionen.

In Fallen können Ionen durch die Überlagerung elektrischer und magnetischer Felder in extremem Vakuum gespeichert werden. In einer Penningfalle lässt sich ein einzelnes Ion speichern, das darin eine charakteristische oszillierende Kreisbewegung ausführt. Ionenmasse und weitere Eigenschaften folgen aus der Umlauffrequenz, sofern Ladungszustand und Magnetfeldstärke bekannt sind, selbst bei nur Millisekunden lebenden exotischen Teilchen. Penningfallen-Massenspektrometer werden am MPIK und extern, z. B. bei der GSI und am CERN, betrieben.

In einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (EBIT) werden durch Beschuss mit energiereichen Elektronen hochgeladene Ionen erzeugt, eingefangen und auf mehrere Millionen Grad aufgeheizt. Sowohl in stationären als auch mobilen EBITs wird atomare Materie unter extremen Bedingungen erzeugt und untersucht, wofür präzise spektroskopische Instrumente zum Einsatz kommen. In Kooperation mit der Universität Aarhus wurde am MPIK eine neue kryogene Ionenfalle (Cryogenic Paul Trap Experiment: CryPTEx) aufgebaut, in der durch Laserkühlung Ionenkristalle erzeugt und darin hochgeladene Ionen gekühlt werden können.

Im kryogenen Speicherring CSR ist es erstmals möglich, kalte Molekülionen jeglicher Größe und hochgeladene Ionen fast völlig ohne Einfluss der Umgebung zu untersuchen. Das wird durch eine rein elektrostatische Ionenoptik, extrem niedrigen Druck und eine Temperatur von wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt erreicht. Die Ionen werden in speziellen Ionenquellen erzeugt und mit bis zu 300 kV Hochspannung in den Ring eingespeist. Außerdem ist der CSR mit einer Apparatur zum Einschießen von neutralen Atomstrahlen gekoppelt. Ein Elektronenkühler komprimiert den gespeicherten Ionenstrahl, und die Elektronen stehen als Reaktionspartner zur Verfügung. Das innovative mechanische Konzept wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Kon­struktionsbüro und der Feinmechanik-Werkstatt des MPIK entwickelt und realisiert.

Abteilung Blaum    Abteilung Pfeifer

Penning-Fallen: Präzisionsmessungen an einzelnen Ionen (pdf)
Gefangene Sterne im Labor: Hochgeladene Ionen bei 100 Millionen Grad (pdf)
Der ultrakalte Speicherring CSR (pdf)

Laborastrophysik – Chemie des Weltraums


Das Netzwerk der kosmischen Chemie in interstellaren Wolken.

Eine ungelöste Frage ist die Bildung organischer Verbindungen in interstellaren Wolken. Diese komplexe Chemie basiert auf Ionen und Radikalen, die in Stößen mit Photonen und kalten Elektronen entstehen. Dabei spielt das H3+-Molekülion eine Schlüsselrolle. Der Aufbruch von Molekülen nach Einfang eines Elektrons („dissoziative Rekombination“) kann in Speicherringen gezielt untersucht werden. Im neuen kryogenen Speicherring CSR werden erstmals Bedingungen erreicht, die interstellaren Temperaturen entsprechen und auch die Rotation von Molekülionen quasi einfrieren lassen.

Erste Studien bei Temperaturen unter 15 K konnten bereits mit dem CSR-Prototyp, der linearen Ionenfalle CTF, durchgeführt werden. Von besonderem Interesse sind hier negative Molekülionen (Anionen), die eine wichtige Quelle langsamer Elektronen darstellen, indem sie bei entsprechender innerer Anregung (Schwingung) Elektronen regelrecht „abdampfen“ können. Kollisionen mit neutralen Atomen und Molekülen sind gleichfalls von großer Bedeutung für die Astrochemie. Eine Kollisionsstrecke für Neutralstrahlen im CSR erschließt dieses experimentell noch weitgehend unerforschte Gebiet.

Abteilung Blaum    Gruppe Kreckel

Moleküle im Weltraum: Laborastrophysik (pdf)
Der ultrakalte Speicherring CSR (pdf)

Hochgeladene Ionen – Materie unter extremen Bedingungen


Spektrum von Eisen-Ionen, die den Strahlungstransport in der Sonne bestimmen.

Hochgeladene Ionen (HCIs) finden sich in mehr als eine Million Grad heißen Umgebungen wie Atmosphären und Kernen von Sternen, Supernovaüberresten, Akkretionsscheiben um Neutronensterne oder Schwarze Löcher. Man geht davon aus, dass die meiste sichtbare Materie im Universum hoch ionisiert ist. Die Analyse des beobachteten Lichts (sichtbar, UV, Röntgen) erfordert theoretische Unterstützung durch Strukturberechnungen, die jedoch oft nicht genau genug sind, um z. B. die Temperatur des heißen Mediums zu bestimmen. Hochpräzisions-Spektroskopie an kontrolliert erzeugten hochgeladenen Ionen in einer EBIT liefert direkte experimentelle Informationen. Ein Beispiel ist die Untersuchung der Röntgenabsorption von hochgeladenen Eisen-Ionen am Synchrotron PETRA III (DESY). Diese lieferte wichtige neue Erkenntnisse für den Strahlungstransport in Sternen.

Die kryogene Ionenfalle CryPTEx erlaubt die effiziente Kühlung gefangener HCIs für hochpräzise Laserspektroskopie. Gemeinsam mit der PTB (Braunschweig) trägt das MPIK zur Entwicklung neuer optischer Uhren mittels Quantenlogik-Spektroskopie bei. Das Fernziel ist der Test der Zeitabhängigkeit von Naturkonstanten.

Abteilung Pfeifer     Abteilung Keitel

Gefangene Sterne im Labor: Hochgeladene Ionen bei 100 Millionen Grad (pdf)

Max-Planck-Gesellschaft

02.10.18

Einzigartiges Verhalten von Quecksilberkernen aufgeklärt

Deformierte Atomkerne präzise vermessen



10.09.18

Max-Planck-Woche

Am Freitag, dem 14. September, begeht die...


23.07.18

Wasser verstärkt Strahlenschäden

Durch den Energietransfer von der Hydrathülle auf ein...