Präzisionsbestimmung der isomeren Grundzustands-Übergangsenergie in 229mTh: Fortschritt auf dem Weg zu einer Kernuhr

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Peter G. Thirolf
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 235069165

Im gerade beendeten Fördervorhaben, für das hier eine Fortsetzung beantragt wird, gelang unserer Gruppe ein Durchbruch bei einem seit 40 Jahren weltweit intensiv untersuchten Thema: es gelang der erstmalige direkte Nachweis des Zerfalls (und damit der Existenz) des niedrigst angeregten Zustands aller bekannten Atomkerne, dem isomeren ersten angeregten Zustand in 229Thorium. Diesem Zustand wird deshalb so viel Aufmerksamkeit zuteil, weil er das Potential zu einem hochpräzisen nuklearen Frequenzstandard besitzt (Kernuhr). Zur Realisierung einer Kernuhr ist allerdings eine genauere Kenntnis der Übergangsenergie (derzeit bei ca. 7.8 eV angenommen) nötig, um damit einen passenden Laser zur optischen Manipulation des Übergangs zu bauen. Unsere bisherigen Messungen waren auf den Nachweis des Übergangs, nicht aber auf eine Energiemessung ausgelegt. Dies wird nun das zentrale Ziel des hier beantragten Projektes sein. Unser Nachweis des Zerfalls von 229mTh erfolgte durch Sammlung von doppelt oder 3-fach geladenen Th-Ionen auf einer Detektoroberfläche mit anschliessendem Nachweis der Zerfallsprodukte. In diesem Falle waren dies Elektronen aus dem Zerfallskanal der Internen Konversion (IC), der im Falle neutralen Thoriums (um das es sich nach der unvermeidlichen Neutralisierung der auf dem Detektor gesammelten Ionen handelt) energetisch erlaubt und damit auch als dominant erwartet werden kann. Eine präzise Messung der Zerfallsenergie muss sich also auf eine präzise Messung der kinetischen Energie niederenergetischer IC-Elektronen konzentrieren. Dafür werden wir ein hochauflösendes Elektronenspektrometer auf der Grundlage eines magnetic bottle-Spektrometers aufbauen. Dabei werden die IC-Elektronen in einer geeigneten magnetischen Feldanordnung zuerst effizient gesammelt und fokussiert und dann zu einem Detektor geführt. Unterwegs passieren sie verschiedene Potentialgitter mit Retardierungspotentialen, die schliesslich im Energiespektrum des Detektors zu einer scharfen Abbruchkante bei der kinetischen Elektronenenergie führen. Damit wird eine Messung der Übergangsenergie auf besser als 50 meV möglich sein, d.h. um eine Größenordnung genauer als bislang bekannt und ausreichend zum Bau eines optimierten Lasers zur optischen Anregung des nuklearen Übergangs. Dabei wird die Neutralisierung der Thorium-Ionen in einer ersten Projektphase auf einer metallischen Sammelfläche erfolgen. Um jedoch störende Oberflächen- Einflüsse auszuschliessen, wird parallel dazu eine berührungsfreie Neutralisierung in einer Cs-Atomdampf-basierten Ladungsaustauschzelle entwickelt und aufgebaut. Die Charakterisierung und Kalibrierung des Spektrometers wird mittels einer Helium-Gasentladungslampe durchgeführt. Mit diesem Projekt wird es uns möglich sein, unseren derzeitigen weltweiten Vorsprung bei der Untersuchung von 229mTh zu bewahren und auszubauen, mit dem Fernziel der Schaffung nötiger Grundlagen für die Realisierung eines hochpräzisen nuklearen Frequenzstandards.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen