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 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 werden mittels hochpräziser Massenmessungen Bindungsenergien von Nukliden bestimmt, die für Reaktionswege der Nukleosynthese entscheidend sind. Direkte Massenbestimmung von superschweren Kernen überbrückt die Lücke zur theoretisch vorhergesagten Insel der Stabilität. Die Kernstruktur wird analog zur Elektronenhülle durch ein Schalenmodell beschrieben. Bisher unbekannte Schalenabschlüsse und Kerne mit „magischen“ Nukleonenzahlen fernab der Stabilität werden mit hochpräzisen Massenmessungen an meist sehr kurzlebigen exotischen Kernen, vor allem solchen mit großem Neutronenüberschuss, wie sie in Neutronensternen vorkommen, gesucht.

Abteilung Blaum

Penning-Fallen: Präzisionsmessungen an einzelnen Ionen (pdf)

Fallen und kryogener Speicherring


Die PENTATRAP-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 und erhält einen Elektronenkühler, um den gespeicherten Ionenstrahl zu komprimieren. Das innovative mechanische Konzept wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Kon­struktionsbüro und der Feinmechanik-Werkstatt des MPIK entwickelt und realisiert.

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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 Puzzle 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+-Molekül eine Schlüsselrolle. Der Aufbruch von Molekülen nach Einfang eines Elektrons („dissoziative Rekombination“) kann in Speicherringen gezielt untersucht werden. Mit dem neuen kryogenen Speicherring CSR werden erstmals Bedinungen 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.

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Moleküle im Weltraum: Laborastrophysik (pdf)
Der ultrakalte Speicherring CSR (pdf)
Gefangene Sterne im Labor: Hochgeladene Ionen bei 100 Millionen Grad (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 Kerne von Sternen, Supernovaüberreste, 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 Information. 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)

Max-Planck-Gesellschaft

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