Kerne – Entstehung der Elemente und fundamentale Eigenschaften

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.

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Penning-Fallen: Präzisionsmessungen an einzelnen Ionen (pdf)

Ionenfallen

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.

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

Hochgeladene Ionen – Materie unter extremen Bedingungen

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.

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