Messung der Th-229 Isomerenergie mit einem Mikrokalorimeter

• Antragsteller: Dr. Andreas Fleischmann
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252104822

Die Kernstruktur von Thorium-229 weist mit hoher Wahrscheinlichkeit einen langlebigen Isomerzustand auf, der energetisch extrem nahe am Grundzustand liegt. Der derzeit angenommene Wert für die Isomerenergie beträgt 7.8 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 160 nm. Vermutlich der niedrigste angeregte Kernzustand überhaupt, könnte dieser Isomerzustand durch Laserlicht gezielt angeregt werden. Diese sollte eine Vielzahl faszinierender Experimente im Überlappbereich von Atom- und Kernphysik ermöglichen. Bedauerlicherweise wurde bisher kein eindeutiger Nachweis über die Existenz dieses Isomerzustandes gefunden und die exakte Anregungsenergie ist bestenfalls sehr grob bekannt.Fortschritte bei der Bestimmung dieser Übergangsenergie gehen einher mit Fortschritten in der Technologie von Gamma-Detektoren. Alle bisher verfügbaren Vorhersagen basieren auf Messungen der Thorium Kernstruktur bei hohen Energien (10-1000 keV), welche im Alpha-Zerfall von Uran-233 bevölkert werden. Die Isomerenergie wird dann über Differenzbildung von weiteren Gamma-Zerfallskanälen bestimmt. Da eine sehr geringe Energie durch Differenzbildung sehr hoher Energien bestimmt wird, ist die Ungenauigkeit entsprechend groß. Zusätzlich gehen in die Energieabschätzung Zerfallskanäle ein, die nicht experimentell beobachtet wurden und die nur theoretisch abgeschätzt werden können. Dementsprechend ist der aktuelle Wert von 7.8 eV umstritten.Wir schlagen vor, eines der weltweit fortschrittlichsten magnetischen Mikrokalorimeter zu verwenden, um das 29.19 keV Duplet in Th-299 aufzulösen. Dieses Duplet zerfällt direkt entweder in den Thorium Isomer- oder den Grundzustand, seine Messung entspricht daher einer Energiemessung ohne zusätzliche theoretische Eingangsparameter und einem eindeutigen Nachweis der Existent des Isomers.Das Projekt wird als Kollaboration der TU Wien (Projektleiter) und der Universität Heidelberg durchgeführt. Das Projektteam vom Wiener Atominstitut wird die Uran-233 Probe produzieren und charakterisieren, die Messung in Heidelberg unterstützen und die Daten auswerten. Das Heidelberger Team stellt das kryogene Mikrokalorimeter zur Verfügung, optimiert es für die geplante Anwendung und vollführt die eigentliche Messung.Die Projektpartner haben in einer gemeinsamen Machbarkeitsstudie (arXiv:1306.3069) gezeigt, dass eine solche Messung mit bereits in Heidelberg vorhandenen Detektoren realistisch ist, ein speziell gefertigter Detektor lässt eine noch größere Auflösung erwarten. Das gemeinsame Projekt kombiniert optimal bestehende Resourcen und Kompetenzen in Wien und Heidelberg, so dass das Projekt in nur 18 Monaten und mit sehr wenig apparativem Aufwand durchgeführt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Beteiligte Person: Professor Dr. Thorsten Schumm