Penningfallen - Max-Planck

aufgrund seines Drehimpulses (Spins) angibt. Experimentell lässt sich die Spinrichtung in einem äußeren
Magnetfeld über den sogenannten Stern-Gerlach-Effekt
durch die präzise Messung einer Bewegungsfrequenz
bestimmen. Eingestrahlte Mikrowellen induzieren den
Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Orientierungen
des Spins. Der g-Faktor folgt aus der dabei auftretenden
Resonanzfrequenz.
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Links: In einer zylindrischen Penningfalle gespeichertes hochgeladenes Ion mit nur einem Elektron. Rechts: Schematische
Darstellung der quantenelektrodynamischen Effekte eines
Elektrons (blau), das eng an einen schweren Kern (grün) gebunden und dem extrem starken Feld des Kerns ausgesetzt ist.
Da sich der g-Faktor im Rahmen der Quantenelektrodynamik (QED) sehr genau berechnen lässt, können präzise
Messungen als Test dieser Berechnungen und damit als
Test der Vorhersagekraft des Standardmodells dienen.
Unter Leitung des MPIK werden g-Faktor-Experimente
am Elektron durchgeführt, das in hochgeladenen Ionen
gebunden und damit sehr starken elektromagnetischen
Feldern ausgesetzt ist. Tatsächlich stellen Messungen an
hochgeladenen Siliciumionen den derzeit präzisesten Test
der QED von gebundenen Zuständen dar. Im Umkehrschluss lässt sich aus dem Vergleich zwischen Messung und
Theorie die Elektronenmasse bestimmen, da diese in die
Berechnung eingeht. Mit dieser Methode gelang kürzlich
die derzeit genaueste Bestimmung der Elektronenmasse.
In Zukunft soll ein weiteres g-Faktor-Experiment,
ALPHATRAP, am MPIK betrieben werden. Ziele dieses
Experimentes sind weitere Tests der QED in extremsten
Feldern und die hochpräzise Bestimmung der fundamentalen Feinstrukturkonstanten α mithilfe von sehr schweren,
hochgeladenen Ionen bis hin zu wasserstoffartigem Blei.
Weitere g-Faktor-Experimente mit Beteiligung des
MPIK dienen der Bestimmung des magnetischen Momentes
des Protons und Anti-Protons als Test der CPT-Symmetrie
(Standorte: Uni Mainz, CERN).
06221 5160
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Penningfallen
Präzisionsmessungen
an einzelnen Ionen
Penningfallen
Präzisionsmessungen an einzeln Ionen
Wie entstehen die Elemente im Universum? Warum
kommt Eisen viel häufiger auf der Erde vor als die meisten
anderen Elemente? Wie schwer ist ein Elektron?
Um den Antworten auf diese Fragen näher zu kommen,
müssen die Grundbausteine der Natur sehr genau untersucht werden. Dazu ist es notwendig, einzelne Atome zu
isolieren und zu speichern. Für geladene Atome (Ionen)
haben sich sogenannte Penningfallen als ideales Werkzeug erwiesen.
Funktionsweise der Penningfalle
Zur Speicherung von einzelnen Ionen
wird ausgenutzt, dass diese aufgrund
ihrer Ladung sehr empfindlich auf elektrische und magnetische Felder reagieren.
+
V
Die erste Komponente der Falle ist ein
homogenes Magnetfeld. Darin zwingt die
Lorentzkraft das Ion auf eine Kreisbahn
um die Magnetfeldachse, die sogenannte
Zyklotronbewegung. Die Umlauffrequenz fc = q·B/(2p·m)
ist proportional zur äußeren Magnetfeldstärke B und zum
Ladung-zu-Masse-Verhältnis q/m des Ions. Dies bewirkt eine
Speicherung in der Ebene der Kreisbewegung. Die zweite
Komponente ist ein elektrisches Quadrupolfeld, das man
mithilfe geeigneter Fallenelektroden dem Magnetfeld überlagert. Dieses Feld bewirkt eine Speicherung in Richtung des
Magnetfeldes, sodass das
Gesamtbewegung
Ion in alle Raumrichtungen eingeschlossen ist. Die
zugehörige Ionenbewegung
verläuft auf einer komplizierten Bahn, die aus drei
Magnetronbewegung
eigenständigen Bewegungen
zusammengesetzt ist.
Zur Messung der Zyklo­
tronfrequenz fc werden zwei
Zyklotronprinzipiell unterschiedliche
bewegung
Methoden verwendet: Bei Axiale und MagnetronAxiale
bewegung
Bewegung
der „Flugzeit-ZyklotronresoB
Signal eines einzelnen gespeicherten und gekühlten Ions in der
Penningfalle als Minimum im Rauschspektrum eines an die Falle
angeschlossenen supraleitenden Schwingkreises.
nanz-Methode“ werden die Teilchen nach resonanter Anregung
aus der Falle ausgeschossen. Eine einzelne Messung kann hier
sehr schnell ablaufen, wodurch sich diese Methode besonders
für kurzlebige Nuklide eignet. Die alternative Methode ist eine
Messung des Spiegelstroms (~10 –15 A), den das Ion durch seine
Bewegung in den Fallenelektroden induziert. So kann man aus
einer einzelnen Messung die Frequenz bestimmen und benötigt
nur ein Ion. Außerdem ermöglichen niedrigere Temperaturen
eine höhere Präzision. Daher wird die Spiegel­strommethode
bei stabilen Nukliden bevorzugt verwendet.
Kernmassen
Basierend auf Einsteins Prinzip E = mc2 können präzise Massenbestimmungen wichtige Informationen über die Bindungsenergien in Kernen liefern, die in vielen Bereichen der modernen
Physik von hohem Interesse sind. Beispiele sind Tests von Massenmodellen oder das Bereitstellen von Eingangsparametern
für die Beschreibung der Nukleosynthese in der Astrophysik.
Penningfallen sind ideale Werkzeuge, um Nuklidmassen sehr präzise zu bestimmen. Heutzutage werden mit der
Flugzeitmethode kurzlebige radioaktive Nuklide mit relativen
Genauigkeiten von wenigen 10 –9 gemessen, stabile Nuklide
sogar mit 10 –10. Der Spiegelstrom-Nachweis lässt relative
Genauigkeiten besser als 10 –11 zu. Damit sind Massenmessungen mit Penningfallen die genauesten überhaupt.
Am MPIK ist mit PENTATRAP ein neues HochpräzisionsMassenspektrometer im Aufbau. Geplant sind Messungen von
Massenverhältnissen langlebiger, hochgeladener Nuklide bis
hin zu wasserstoffähnlichem Uran, bei denen eine relative Ge-
nauigkeit von einigen 10 –12
angestrebt wird. Eines
der physikalischen Anwendungsgebiete ist die
Neutrinophysik. Messungen der Zerfalls­
energien
bestimmter β-Übergänge
werden zur Bestimmung
der Masse des Elektronneutrinos
beitragen.
Außerdem sollen präzise
Tests der Quantenelektrodynamik und ein Test
von E = mc2 selbst durchgeführt werden. PENTATRAP hat Zugang zu
Der PENTATRAP-Fallenturm
hochgeladenen Ionen über
mit Elektronik.
zwei
Elektronenstrahlionenquellen (EBITs). Das Herz des Experimentes bilden
fünf identische Fallen, die gleichzeitige Frequenzmessungen in mehreren Fallen ermöglichen, was die Limitierung
der Messgenauigkeit aufgrund von zeitlichen Schwankungen des Magnetfeldes minimiert.
Ein weiteres Massenexperiment am MPIK ist das
THe-TRAP-Projekt, dessen Ziel die hochpräzise Messung
des Massenverhältnisses von 3He und 3H (= T, Tritium)
mit Genauigkeit besser als 10 –11 ist. Dieser Wert trägt zur
Bestimmung der Masse des Elektron-Antineutrinos durch
das Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN)
bei. Das hierfür eingesetzte Penningfallen-Massenspektrometer mit einem extrem stabilen Magnetsystem wurde
ursprünglich an der University of Washington konzipiert
und konstruiert und kam 2008 ans MPIK, wo es in einem
Speziallabor betrieben wird.
Weitere Penningfallen-Massenspektrometer mit Beteiligung des MPIK haben Zugang zu exotischen Nukliden
an externen Beschleunigeranlagen (GSI: SHIPTRAP,
CERN: ISOLTRAP) oder Kernreaktoren (Uni Mainz:
TRIGA-Trap).
Magnetische Momente
Eine weitere Größe, die sich sehr genau mit Penningfallen
bestimmen lässt, ist die Stärke des magnetischen Dipolmomentes der Ionen, die durch den sogenannten g-Faktor
gegeben ist. Dies ist eine dimensionslose Konstante, welche
die Stärke des magnetischen Momentes eines Teilchens