Das letzte Teil zur Lösung des Puzzles leichter Kerne
/ via Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg /
Mit der hochpräzisen Penningfalle für leichte Ionen (LIONTRAP) haben Physiker:innen des MPIK und des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung Darmstadt die Atommasse von 3He mit einer Genauigkeit von 12 ppt bestimmt und damit das letzte fehlende Bindeglied zwischen den Massen im Bereich der leichten Ionen gefunden. (Physical Review A, 9 April 2025; Editor’s Suggestion)
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In früheren Untersuchungen mit der hochpräzisen Penningfalle für leichte Ionen (LIONTRAP) gelang es, die Massen des Protons, des Deuterons und des Alphateilchens mit noch nie dagewesener Präzision zu messen. Die Ergebnisse unterscheiden sich jedoch signifikant von denen der University of Washington (UW), die entweder zu früheren Literaturwerten beitrugen oder als solche dienten, während sie andererseits mit den an der Florida State University (FSU) gemessenen Massenverhältnissen übereinstimmen. Diese Unstimmigkeiten, die als „Puzzle der Massen leichter Kerne“ bezeichnet werden, sind in Abb. 1 dargestellt.
Das letzte fehlende Bindeglied, eine Neuvermessung der 3He-Masse direkt relativ zum Kohlenstoff-Massenstandard, wurde nun von Physikern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg (MPIK) und des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung Darmstadt mit LIONTRAP durchgeführt. Aus dem mit einer relativen Genauigkeit von 12 Teilen pro Billion gemessenen Verhältnis der Zyklotronfrequenzen von 3He+– und 12C4+-Ionen wurde die atomare Masse von 3He zu 3.016 029 322 011(35) u bestimmt.
Abb. 2 veranschaulicht den Fortschritt bei der Lösung des Puzzles der Massen leichter Kerne, indem die Differenz Δ zwischen den summierten Massen von Proton (p) und Deuteron (d) und der Masse des 3He-Kerns (he) untersucht wird. Während die Daten, die ausschließlich auf den UW-Messungen beruhen, deutlich von den FSU-Werten abweichen, stimmen die neuen Ergebnisse von LIONTRAP und FSU überein. Obwohl nicht direkt Teil des Puzzles, unterstützt die Abweichung des LIONTRAP-Ergebnisses für das α-Teilchen (4He) aus dem Jahr 2023 vom UW-Wert diese Interpretation. Weitere Massenmessungen von leichten Ionen sind am PENTATRAP-Experiment am MPIK geplant.
Originalpublikation:
Penning-trap mass measurement of 3He
O. Bezrodnova, S. Sasidharan, W. Quint, S. Sturm and K. Blaum
Physical Review A 111, L040801 (2025). DOI: 10.1103/PhysRevA.111.L040801
Weblinks:
Präzisionsmassenspektrometrie am MPIK