Pingpong mit Kalzium
Flugzeitmassenspektroskopie: Ionenspiegel ermöglichen Massenbestimmung benachbarter Kalziumisotope.
Einem internationalen Wissenschaftlerteam ist es erstmals gelungen, mit einem Flugzeitmassenspektrometer die Bindungsenergien exotischer Atomkerne zu bestimmen. Aus dem Vergleich der Messungen mit neuen theoretischen Werten ergeben sich Rückschlüsse auf die Natur der Kräfte, die diese Atomkerne im Innersten zusammenhalten. Eine Erweiterung von ISOLTRAP am europäischen Forschungszentrum CERN ermöglichte diese Messungen und erlaubte die Bestimmung der Massen der künstlich erzeugten Isotope Kalzium-53 und Kalzium-54. Diesen Isotopen kommt eine Schlüsselrolle in der kernphysikalischen Grundlagenforschung zu. Die Messungen bestätigen theoretische Vorhersagen der beteiligten Wissenschaftler der TU Darmstadt.
Abb.: Mit Kalzium-Ionen-Pingpong lässt sich die Flugstrecke auf mehrere Kilometer verlängern, obwohl die Spiegel nur einen Meter voneinander entfernt stehen. Dadurch lässt sich die Masse sehr ähnlicher Ionen wie Kalzium-53 und Kalzium-54 bestimmen. (Bild: F. Wienholtz / Uni Greifswald)
Aus den Massen der Atomkerne kann auf die Energien geschlossen 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: 8, 20, 28, 50, 82 und 126. Bei den exotischen Systemen mit kurzen Halbwertszeiten besteht aber noch erheblicher Forschungsbedarf.
Zur Verbesserung der theoretischen Beschreibung nahmen die Darmstädter Theoretiker Dreiteilchenkräfte hinzu, für deren quantitative Charakterisierung sie lediglich Eingangsdaten der leichtesten Elemente, Wasserstoff und Helium, benötigten. Mit Rechnungen am Jülich Supercomputing Centre gelang es, Vorhersagen für die Massen der viel schwereren Kalzium-Isotope zu treffen. Diese zeigen für Neutronen neben den bekannten Schalenabschlüssen bei 20 und 28 die zusätzliche magische Zahl 32.
Atomkernen mit einem großen Ungleichgewicht zwischen Protonen und Neutronen kommt eine besondere Bedeutung für das Verständnis der Kernkräfte zu. Allerdings sind entsprechende Messungen extrem schwierig, da diese Atomkerne nur in geringsten Mengen produziert 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 MPI 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 Penning-Ionenfallen, 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 Kalzium-53 und Kalzium-54.
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 Flugzeitmassenspektrum. 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 Kalziumisotopen 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.
U. Greifswald / MPG / DE
