Gewichtsprobleme physikalischer Art – Eine Penningfalle als Waage für Atome
Dr. Klaus Blaum (Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM), Universität Mainz)

Die Masse eines Atoms bzw. Atomkerns ist einzigartig wie ein Fingerabdruck und daher eine der fundamentalen Größen in der Atom- und Kernphysik. Präzisionsmassenmessungen an kurzlebigen Nukliden legen die Grenzen der Stabilität genauer fest und erlauben, Kernmodelle zu testen und ihre Vorhersagekraft zu verbessern. Die Bestimmung der Q-Werte übererlaubter beta-Zerfälle stellt zudem einen wichtigen Beitrag dar zum Test der schwachen Wechselwirkung und der Unitarität der Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix und damit eine Überprüfung des Standardmodels. Für stabile Massen reichen die Anwendungen von der Neudefinition des Kilogramms, über Untersuchungen zum Isotopeneffekt im g-Faktor bis zur Bestimmung von atomaren Bindungsenergien für Tests der QED.

Zur Bestimmung der Bindungsenergien kurzlebiger Radionuklide wird am on-line Isotopenseparator ISOLDE/CERN das Tandem-Penningfallen-Massenspektrometer ISOLTRAP eingesetzt. Die Massenmessung der gespeicherten Ionen erfolgt durch Messung der Zyklotronfrequenz in einem homogenen Magnetfeld. Mit ISOLTRAP können Atommassen von Radionukliden, die nur in geringsten Mengen von 100 Ionen pro Sekunde produziert werden und nur eine Halbwertszeit von wenigen 10 ms haben, mit einer Genauigkeit von 1•10^-8 bestimmt werden. Relative Genauigkeiten von etwa 5•10^-10 wurden bei Massenmessungen an stabilen, hochgeladenen Ionen mit dem Penningfallen-Massenspektrometer SMILETRAP in Stockholm erreicht.

Neben den wichtigsten ISOLTRAP- und SMILETRAP-Ergebnissen werden neuartige Ionenfallensysteme vorgestellt, mit denen für einzelne Ionen relative Genauigkeiten von 10^-9 für Radionuklide und 10^-11 an stabilen Atomen erreicht werden können. Dies eröffnet weitere fundamentale Anwendungsfelder.