Uni Heidelberg Max-Planck-Institut fü Kernphysik GSI An ultra-cold target for precision studies of heavy-ion atom collisions MPIK
Struktur hochgeladener Ionen
Die in einem hochgeladenen Ion (z.B. in einem 91fach geladenen Uran-Ion) gebundenen Elektronen erfahren durch die extrem hohen Kernladungen ein elektrostatisches Feld, das bis zu 1 Mio mal höher ist als typischerweise in leichten Atomen. Dabei bewegt sich das im Grundzustand gebundene Elektron mit riesigen (mittleren) Geschwindigkeiten von etwa 66 % der Lichtgeschwindigkeit. Aufgrund der relativ einfachen Struktur der Ionen mit nur wenigen Elektronen, bieten diese Systeme also ein ideales Versuchsgelände um relativistische Effekte, Quantenelektrodynamik (QED) im nicht-perturbativen Bereich und Naturkonstanten (z.B. g-Faktor, Elektronenemasse) zu untersuchen. Bisherige, an Speicherringen gewonnene, spektroskopische Daten zur Photonenemission solcher Ionen wurden mit Techniken gewonnen (z.B. mit Germaniumdetektoren mit einer Auflösung von einigen 100eV), mit denen die Messgenauigkeit auf einige eV beschränkt ist. QED-Effekte höherer Ordnung konnten bislang auf diese Weise nicht nachgewiesen werden. In jüngster Zeit werden große Anstregungen unternommen, um die erreichbare Genauigkeit mit neuen Techniken, z.B. mit Kristallspektrometern oder Mikrokalorimentern, zu verbessern. Im Rahmen des PRIOC-Projektes soll eine alternative, komplementäre Technik entwickelt werden, mit der elektronische Bindungsenergie in hochgeladenen Ionen auf das Genaueste untersucht werden können.

Die spektroskopische Untersuchung hochgeladener Ionen begann mit der Entwicklung leistungsfähiger Ionenquellen wie Elektronenstrahlionenfallen (EBIT, z.B. HD-EBIT) und Ionenspeicherringen wie dem ESR. Zur Präzisionsbestimmung der Übergangsenergieen in diesen Ionen wurden verschiedene Techniken entwickelt, wie Germaniumdetektoren (z.B. A. Gumberidze, et al., Phys. Rev. Lett. 94, 223001 (2005)), Kristallspektormeter (z.B. H. Bruhns, et al., Phys. Rev. Lett. 99, 113001 (2007)) und Mikrokalorimenter (z.B. E. Silver, et al., Nucl. Instr. Meth. A 520, 60 (2004)). Auch in Rekombinationsexperimenten an Elektronenkühlern (C. Brandau, et al., Phys. Rev. Lett. 91, 073202 (2003)) und EBITs (A.J. González Martínez, et al., Phys. Rev. Lett. 94, 203201 (2005)) konnten detaillierte spektroskopische Daten gewonnen werden.

Techniken
Feynman-Graphen der QED-Korrekturen für wasserstoffähnliche hochgeladene Ionen. Dargestellts sind die Beiträge Erster Ordnung (obere Zeile) 'Selbstenergie' (SE) und 'Vakuumpolarisation' (VP) sowie einige der Zweiten-Ordnungs-Beiträge (untere Zeile, SESE, VPVP,SVPE).

Ein Prüfstein nicht-perturbativer QED ist die 1s-Lambshift in wasserstoffähnlichen schweren Ionen, da dies verhältnismäßig einfache Systeme völlig ohne störenden Korrelationseffekte sind. Auf theoretischer Seite gibt es inzwischen Rechnungen, die alle Zweiten-Ordnungs-Beiträge (siehe Abbildung) beinhalten (V.A. Yerokhin, et al., Phys. Rev. Lett. 91, 073001 (2003)) und die Bindungsenergie des im Grundzustand gebundenen Elektrons mit etwa 0,5 eV Genauigkeit vorhersagen können. Auf experimenteller Seite wurden in den letzten Jahren ebenfalls große Fortschritte gemacht, jedoch wurde bislang lediglich eine Genauigkeit von etwa 4 eV (A. Gumberidze, et al., Phys. Rev. Lett. 94, 223001 (2005)) erreicht.

Ein komplementärer, kinematischer Ansatz wurde bereits vor einigen Jahren (D. Fischer, et al., J. Phys. B 35, 1369, (2002)) demonstriert: Hier wurde einfacher Elektroneneinfang in langsamen Ne7+-He-Stößen beobachtet. Aufgrund des gemessenen Energie- und Imulsübertrags, konnten die Energieniveaus der Zustände, in die das Elektron eingefangen wurde, mit einer Genauigkeit < 1eV drehimpulsaufgelöst bestimmt werden(siehe Abbildung unten).

Techniken
Impuls- bzw. Energieübertragsspektrum im Einfachelektroneneinfang in 63 keV Ne7+-He-Stößen. Die beobacheten Linien entsprechen dem Einfang in die n=4-Unterschalen des Ne6+-Ions.

Innerhalb des PRIOC-Projektes soll eine komplett neue, kinematische Methode entwickelt werden. Dabei sollen mit dem MOTREMI-Aufbau Stöße mit elektronischen Übergängen im Projektilion vermessen werden. Aufgrund der Energie- und Impulserhaltung und mit der hohen Impulsauflösung, die mit dem Aufbau erreichbar sein wird, können Bindungs- bzw. Anregungsenergieen des Ions mit hervorragender Genauigkeit bestimmt werden.