Array von Spiegeln des Dünnschicht-Multipass-Boosters

24. Februar 2021

Größe des Heliumkerns Femtometer-genau gemessen

Ein internationales Forschungsteam unter der Federführung des Schweizer Paul-Scherrer-Instituts (PSI) hat den Radius des Atomkerns von Helium fünfmal präziser gemessen als je zuvor. Ein wichtiger Baustein der Zusammenarbeit war ein kompliziertes Lasersystem, an dessen Entwicklung das Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart beteiligt war.
[Bild: ETH Zurich, K. Schumann]

Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element im Universum. Heliumkerne bestehen aus vier Bausteinen, nämlich zwei Protonen und zwei Neutronen. Für die Grundlagenphysik ist es entscheidend, die Eigenschaften des Heliumkerns zu kennen, unter anderem um die Vorgänge auch in anderen Atomkernen, die schwerer als Helium sind, zu verstehen. Das bisherige Wissen über den Heliumkern stammt aus Experimenten mit Elektronen. Die Forschenden am PSI entwickelten nun erstmals eine neuartige Messmethode, die eine fünfmal höhere Genauigkeit erlaubt. Nach diesen Messungen beträgt der sogenannte mittlere Ladungsradius des Heliumkerns 1,67824 Femtometer (1 Billiarde Femtometer ergeben 1 Meter).

Die Wissenschaftler arbeiteten mit exotischen Atomen bzw. Ionen, bei denen beide Elektronen durch ein einzelnes Myon ersetzt wurden. Ein Myon gleicht zwar einem Elektron, ist aber rund 200-mal schwerer und viel stärker an den Atomkern gebunden als ein Elektron. Zudem kann es sich mit sehr viel höherer Wahrscheinlichkeit auch im Kern selber aufhalten. 

Langsame Myonen, kompliziertes Lasersystem

Die Myonen werden am PSI mithilfe eines Teilchenbeschleunigers produziert. Die Spezialität der Anlage: Es werden Myonen mit niedriger Energie erzeugt. Diese Teilchen sind langsam und lassen sich in den Apparaturen für Experimente stoppen. Nur so können die exotischen myonischen Heliumionen gebildet werden, bei denen ein Myon die Elektronen aus ihren Bahnen wirft und ersetzt. Die Myonen treffen auf eine kleine, mit Heliumgas gefüllte Kammer. Stimmen die Bedingungen, entsteht myonisches Helium, bei dem sich das Myon in einem Energiezustand befindet, in dem es sich häufig im Atomkern aufhält. 

Hier kommt das Lasersystem ins Spiel, bei welchem das Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart an der Entwicklung wichtiger Komponenten (Pumplaser und Verstärker) beteiligt war. Das komplizierte System schießt einen Laserpuls auf das myonische Heliumion. Hat das Laserlicht die richtige Frequenz, regt es das Myon an und befördert es in einen höheren Energiezustand. Wenn es aus diesem in den Grundzustand hinunterfällt, sendet es Röntgenlicht aus. Detektoren registrieren diese Röntgensignale. 

Im Experiment wird die Laserfrequenz so lange variiert, bis viele Röntgensignale eintreffen. Physiker sprechen dann von der sogenannten Resonanzfrequenz. Mit ihrer Hilfe lässt sich dann die Differenz zwischen den zwei energetischen Zuständen des Myons im Atom bestimmen. Laut Theorie hängt dieser gemessene Energieunterschied davon ab, wie groß der Atomkern ist. Aus den theoretischen Gleichungen lässt sich deshalb mithilfe der gemessenen Resonanzfrequenz der Radius des Heliumkerns bestimmen. 

Zusammenarbeit mit langer Tradition

Das Forschungsergebnis ist das Resultat einer 20-jährigen, bewährten Zusammenarbeit zwischen international renommierten Instituten wie dem PSI, der ETH Zürich, dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München, dem Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart, der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz sowie dem Laboratoire Kastler Brossel und dem CNRS in Paris, den Universitäten von Coimbra und Lissabon in Portugal und der National Tsing Hua University in Taiwan. Gefördert wurde die Arbeit unter anderem vom European Research Council, dem Schweizerischen Nationalfonds und der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Quelle: Paul Scherrer Institut, Barbara Vonarburg/ amg

Kontakt
Dr. Marwan Abdou Ahmed, Universität Stuttgart, Institut für Strahlwerkzeuge, Tel.+49 (0)711-685-69755, E-Mail marwan.abdou-ahmed@ifsw.uni-stuttgart.de
Zum Seitenanfang