Pingpong mit schweren Calcium-Ionen

Messungen an den Isotopen Calcium-53 und Calcium-54 erlauben Rückschlüsse auf die Bindungskräfte in Atomkernen

19. Juni 2013

Einem internationalen Wissenschaftlerteam ist es erstmals gelungen, mit einem Flugzeitmassenspektrometer die Bindungsenergien exotischer Atomkerne zu bestimmen. Wie jetzt im Fachmagazin Nature berichtet, ergeben sich aus dem Vergleich der Messungen mit neuen theoretischen Werten Rückschlüsse auf die Natur der Kräfte, die diese Atomkerne im Innersten zusammenhalten. Die schwierigen Messungen, an denen auch Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kernphysik beteiligt waren, wurden durch eine Erweiterung von ISOLTRAP, einer Art Präzisionswaage für Atomkerne, am europäischen Forschungszentrum CERN möglich. So konnten erstmals die Massen der künstlich erzeugten Isotope Calcium-53 und Calcium-54 bestimmt werden. Diesen Isotopen kommt eine Schlüsselrolle in der kernphysikalischen Grundlagenforschung zu. Die Messungen bestätigen Vorhersagen der beteiligten Wissenschaftler der Technischen Universität Darmstadt.

Wie ein Ball zwischen zwei Tischtennisschlägern hin und her gespielt wird, werfen sich zwei Spiegel Calcium-Ionen zu. So lässt sich die Strecke, die die Ionen im Flug zurücklegen, auf mehrere Kilometer verlängern, obwohl die Spiegel nur einen Meter voneinander entfernt ste-hen. Durch die lange Flugstrecke lassen sich Ionen mit sehr ähnlicher Masse wie Calcium-53 und Calcium-54  voneinander, um ihre Masse sehr genau zu bestimmen.

Aus den Massen der Atomkerne kann über Einsteins Formel E=mc2 auf die Energien ge-schlossen werden, mit denen die Protonen und Neutronen im Kern gebunden sind. Besonders hohe Bindungsenergien findet man bei Kernen mit „magischen“ Protonen- und Neutronen-zahlen, bei denen die Kernbestandteile geschlossene Schalen bilden. Diese speziellen Zahlen sind für die stabilen Kerne wohl bekannt. Sie lauten 8, 20, 28, 50, 82 und 126. Bei den exoti-schen Systemen mit kurzen Halbwertszeiten besteht aber noch erheblicher Forschungsbedarf.

Zur Verbesserung der theoretischen Beschreibung nahmen die Darmstädter Theoretiker Drei-teilchenkräfte hinzu, für deren quantitative Charakterisierung lediglich Eingangsdaten der leichtesten Elemente, Wasserstoff und Helium, benötigt wurden. Dreikörperkräfte hängen von der relativen Position von drei miteinander wechselwirkenden Teilchen ab. Dies ist ähnlich wie bei den Kräften im Erde-Sonne-Mond System. Mit Rechnungen am Jülich Supercompu-ting Centre gelang es, Vorhersagen für die Massen der viel schwereren Calcium-Isotope zu treffen. Diese zeigen für Neutronen neben den bekannten Schalenabschlüssen bei 20 und 28 die zusätzliche magische Zahl 32.

ISOLDE liefert schwierig herzustellende Atomkerne an ISOLTRAP

Atomkernen mit einem großen Ungleichgewicht zwischen Protonen und Neutronen kommt eine besondere Bedeutung für das Verständnis der Kernkräfte zu. Allerdings sind entspre-chende Messungen extrem schwierig, da diese Atomkerne nur in geringsten Mengen produ-ziert werden können und binnen eines Wimpernschlags wieder zerfallen. Solche Teilchen liefert die „Isotopenfabrik“ ISOLDE am europäischen Forschungszentrum CERN in Genf als Ionenstrahlen an die Präzisionswaage ISOLTRAP, an deren Entwicklung Klaus Blaum und seine Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Kernphysik maßgeblich beteiligt waren. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die gewünschten Atome nur „verunreinigt“ mit weiteren Teilchen ähnlicher Masse, sogenannten Isobaren, bereitgestellt werden können.

Unter diesen Bedingungen kommen die bisher verwendeten Mikrowaagen, die Penningionen-fallen, an ihre Grenzen. Als Alternative bieten sich Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometer an. Daher wurde nun für ISOLTRAP ein entsprechendes Instrument an der Universität Greifswald entwickelt, aufgebaut und in das ISOLTRAP-Massenspektrometer integriert. Nach dem Einsatz als hochauflösender Isobarenseparator für Penningfallen-Untersuchungen ermöglichte es jetzt als Massenspektrometer die ersten Messungen an den Isotopen Calcium-53 und Calcium-54.

Zwischen zwei Spiegeln legen Ionen eine kilometerlange Strecke zurück

Das Prinzip, die Flugzeitmassenspektrometrie, ist einfach: Alle Ionen erfahren die gleiche Kraft und werden daher bei unterschiedlicher Masse auf verschiedene Geschwindigkeiten beschleunigt. Deswegen kommen sie nach Durchlaufen einer Driftstrecke nacheinander am Detektor an – die leichten zuerst und die schweren später: Es entsteht ein Flugzeitmassen-spektrum. Üblicherweise sind die Driftstrecken etwa einem Meter lang. Aber hier kommt ein Trick ins Spiel: Mit einem „Ionenspiegel“ lassen sich die Ionen reflektieren und mit einem zweiten Spiegel kann man kilometerlange Driftstrecken auf Meter-Größe zusammenfalten. Das Ionen-Pingpong, bei dem die Teilchen tausende Male hin und her gespiegelt werden, dauert nur wenige Millisekunden. Es ist viel schneller als die Penningfallen-Experimente und benötigt zudem auch weniger Ionen.

Damit war der Durchbruch zu den exotischen Calciumisotopen geschafft und die Vorhersagen der Darmstädter Theoretiker konnten überzeugend bestätigt werden. Der erfolgreiche Einsatz des Greifswalder Instruments etabliert die Multireflexions-Flugzeitmassenspektrometrie als Zukunftstechnologie zur Erforschung des Atomkerns.

Am Betrieb des Ionenfallen-System ISOLTRAP waren Wissenschaftler des CERN, des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg, des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionen-forschung in Darmstadt sowie von Universitäten in Dresden, Greifswald, Istanbul (Türkei), Leuven (Belgien) und Orsay (Frankreich) beteiligt.

Uni Greifswald/PH

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