Hochpräzise Messung der Masse des Alphateilchens in einer Ionenfalle
18.09.2023 |
Mithilfe der Ionenfalle LIONTRAP in Mainz ist es einem Team bestehend aus Forschenden des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt sowie des Max-Planck-Instituts für Kernphysik und der Universität in Heidelberg gelungen, die Masse von Helium-4-Kernen – auch bekannt als Alphateilchen – mit bisher unerreichter Genauigkeit von elf Stellen zu bestimmen. Die Ergebnisse der Messungen sind im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht. Präzisionsmessungen mit Penningfallen werden auch an der FAIR-Anlage in Zukunft eine Rolle spielen.
Leichte Atome wie Wasserstoff oder Helium spielen eine besondere Rolle in der Physik. Sie haben nur wenige Elektronen, so dass ihre Spektren mithilfe unserer grundlegenden Theorien mit außerordentlicher Präzision berechenbar sind. Dafür ist die genaue Kenntnis ihrer Eigenschaften, wie etwa ihrer Masse, unerlässlich. Beispielsweise kann die Masse des innerhalb des Experiments gemessenen Helium-4 zur Bestimmung der Masse des Elektrons genutzt werden – einer wichtigen Naturkonstante. Die von verschiedenen Forschungsgruppen durchgeführten Messungen in diesem Massenbereich waren in der Vergangenheit uneinheitlich. Die aktuelle Präzisionsmessung mit der Penning-Falle erhöht die Zuverlässigkeit unserer tabellierten Naturkonstanten erheblich.
Als Präzisionswaagen für Ionen haben sich Penning-Fallen bewährt, in denen einzelne geladene Teilchen mit Hilfe von elektrischen und magnetischen Feldern für lange Zeit eingesperrt werden können. Das gefangene Teilchen führt in der Falle eine charakteristische Kreisbewegung aus, die von seiner Masse abhängt – schwere Teilchen schwingen langsamer als leichte. Misst man zwei unterschiedliche, einzelne Ionen nacheinander in der gleichen Falle, kann man das Verhältnis der Massen exakt ermitteln.
Für die Durchführung der Helium-Messung nutzten die Wissenschaftler*innen die sogenannte LIONTRAP (Light-Ion Trap), die sich an der Universität Mainz befindet und im Rahmen einer Kollaboration von GSI und dem Max-Planck-Institut für Kernphysik entwickelt und gebaut wurde. Im 3,8 Tesla starken Magnetfeld von LIONTRAP bewegten sich die gespeicherten Heliumkerne auf Kreisbahnen mit einem Radius von rund zehn Mikrometern. Zum Massenvergleich dienten ebenfalls gefangene Kohlenstoffionen.
Als Ergebnis erhielten die Forschenden die Masse des Heliumkerns zu 4.001 506 179 651(48) atomaren Einheiten, wobei die Zahl in Klammern die Unsicherheit der letzten Stellen angibt. Dieses Resultat weist eine Genauigkeit auf, die 1,3-mal größer ist als der aktuelle Literaturwert, weicht jedoch von diesem mit 6,6 Standardabweichungen ab. Zusätzliche Messungen beispielsweise von Helium-3-Systemen sind für die Zukunft geplant, um die Inkonsistenzen mit Messungen anderer Forschungsgruppen auszuräumen.
Künftig werden Präzisionsmassenmessungen mit Penning-Fallen auch an der bei GSI im Bau befindlichen FAIR-Anlage eingesetzt werden. Mit Hilfe des HITRAP-Ionenfallenaufbaus, der Teil der APPA-Experimentsäule von FAIR ist, ist es geplant die Bindungsenergien von Elektronen in schweren Ionen mit unterschiedlichen Ladungszuständen zu bestimmen, um die Quantenelektrodynamik zu testen. Weitere Fallenexperimente in der NUSTAR-Säule wollen die Bindungsenergien von Kernen messen, um nukleare Modelle für die Synthese von chemischen Elementen in unserem Universum zu testen. (CP)
