BASE-Kollaboration stellt Rekorde beim Teilchenkühlen auf

Hochpräzise Experimente mit einzelnen geladenen Teilchen unter Verwendung moderner Penningfallen-Systeme ermöglichen hochpräzise Messungen von Massen, magnetischen Momenten und Naturkonstanten. Diese Experimente liefern strenge Tests der Ladungs-, Paritäts- und Zeitumkehr-Symmetrie (CPT) durch Messungen des magnetischen Moments und des Ladungs-Masse-Verhältnisses von Protonen und Antiprotonen. Sie erlauben Messungen des magnetischen Moments leichter Atomkerne, Tests der Quantenelektrodynamik durch Präzisions-(Massen-)Spektroskopie hochgeladener Ionen, Tests der elektroschwachen Kraft mit einzelnen Molekülionen sowie Präzisionsmassenmessungen radioaktiver Ionen. Sie tragen auch zur Suche nach exotischer Physik bei.

Da diese Präzisionsexperimente mit gespeicherten Ionen durch die Teilchentemperatur limitiert werden, ist eine weiterentwickelte Teilchenkühlung für hochpräzise Penningfallenmessungen von entscheidender Bedeutung. Daher müssen verbesserte Kühltechniken entwickelt werden, mit denen zuverlässig niedrigere Teilchenenergien erreicht werden können als mit den üblicherweise verwendeten Systemen zur Widerstandskühlung.

In zwei kürzlich in „Physical Review Letters“ veröffentlichten Artikeln berichtet die BASE-Kollaboration über wesentliche Verbesserungen bei der Teilchenkühlung in kryogenen Multi-Penningfallen-Systemen.

In einem Penningfallen-Experiment wurde die weiterentwickelte sympathetische Laserkühlung eines einzelnen Protons durch lasergekühltes ⁹Be⁺ mithilfe von Spiegelströmen durchgeführt. In das Penningfallen-System wurde eine neue Temperaturmessfalle (TMT) implementiert, die aufgrund einer axialen Frequenzverschiebung von 470 Hz/K (axial), die aus einer optimierten quadratischen Magnetfeldinhomogenität resultiert, eine Temperaturauflösung im mK-Bereich bietet. Zusätzlich wurde der Kühlprozess durch numerische Simulationen optimiert. Diese Verbesserungen führten zu axialen Temperaturen eines einzelnen Protons in der Penningfalle von bis zu etwa 170 mK, was eine Verbesserung um den Faktor 15 im Vergleich zum vorherigen Rekord darstellt.
Die verbesserte Technik der sympathetischen Kühlung ist auf alle geladenen Teilchen anwendbar und ebnet den Weg für die nächste Generation hochpräziser Penningfallenmessungen mit Teilchen, die eine sympathetische Kühlung mit separaten Fallenbereichen erfordern.

Weitere Informationen finden Sie im Physical Review Letters Artikel.

In einem weiteren Penningfallen-Experiment wurde eine zerstörungsfreie subthermische Kühlung der modifizierten Zyklotronmode eines einzelnen gespeicherten Antiprotons durchgeführt. Dazu wurde eine subthermische Kühlvorrichtung implementiert, die aus zwei übereinandergestapelten Penningfallen – einer Kühlfalle (CT) und einer Analysefalle (AT) – sowie der dazugehörigen Elektronik zur Teilchenmanipulation besteht. Durch die Anwendung eines CT-basierten, optimierten Maxwell-Dämon-Kühlprotokolls konnten für einzelne gespeicherte Antiprotonen Temperaturen T₊ = E₊/k_B unter 200 mK erreicht werden, bei einer Teilchen-Präparationszeit von weniger als 500 s. Dies ist die schnellste subthermische Widerstandskühlung eines einzelnen Teilchens in einer Penningfalle, die jemals demonstriert wurde.
Die verbesserte Kühlmethode wird enorme Auswirkungen auf Experimente mit Multi-Penningfallen haben, bei denen magnetische Momente mit einzelnen Kernspins gemessen werden, um die Materie-Antimaterie-Symmetrie zu testen. Ebenso auf hochpräzise Massenspektrometrie und auf Messungen des g-Faktors von gebundenen Elektronen in hochgeladenen Ionen zum Test der Quantenelektrodynamik.

Weitere Informationen finden Sie im Physical Review Letters Artikel.

Originalpublikationen:

Image-Current Mediated Sympathetic Laser Cooling of a Single Proton in a Penning Trap Down to 170 mK Axial Temperature
C. Will, M. Wiesinger, P. Micke, H. Yildiz, T. Driscoll, S. Kommu, F. Abbass, B. P. Arndt, B. B. Bauer, S. Erlewein, M. Fleck, J. I. Jäger, B. M. Latacz, A. Mooser, D. Schweitzer, G. Umbrazunas, E. Wursten, K. Blaum, J. A. Devlin, C. Ospelkaus, W. Quint, A. Soter, J. Walz, C. Smorra, and S. Ulmer (BASE Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 133, 023002 (2024)
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.023002

Orders of Magnitude Improved Cyclotron-Mode Cooling for Nondestructive Spin Quantum Transition Spectroscopy with Single Trapped Antiprotons
B. M. Latacz, M. Fleck, J. I. Jäger, G. Umbrazunas, B. P. Arndt, S. R. Erlewein, E. J. Wursten, J. A. Devlin, P. Micke, F. Abbass, D. Schweitzer, M. Wiesinger, C. Will, H. Yildiz, K. Blaum, Y. Matsuda, A. Mooser, C. Ospelkaus, C. Smorra, A. Soter, W. Quint, J. Walz, Y. Yamazaki, and S. Ulmer (BASE Collaboration)
Phys. Rev. Lett. 133, 053201 (2024)
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.053201

Weblinks:

CERN News
HHU News
BASE Website (CERN)
BASE Experimentseite (Abteilung Blaum) am MPIK