B e T I N a  -  Be Halospektroskopie

(Beryllium Trap for the Investigation of Nuclear charge radii)

Halo-Kerne sind kurzlebige neutronenreiche Kerne, die im Gegensatz zur klassischen Vorstellung keine konstante Kerndichte besitzen. Sie bestehen vielmehr aus einem kompakten Rumpfkern, der von einem oder mehreren schwach gebundenen Neutronen mit weit ausgedehnten Wellenfunktionen "umkreist" wird (vgl. Gruppen Emblem). Die Wellenfunktionen sind dabei soweit ausgedehnt, dass sie mehr Zeit außerhalb als innerhalb des attraktiven Potentialtopfs der Kernbindungskräfte verbringen Damit sollten sie, nach klassischer Vorstellung, eigentlich nicht gebunden sein. Halo-Kerne der leichtesten Elemente (He, Li, Be) wurden in den 80er Jahren von Tanihata et al. bei Streuexperimenten nahe der Neutronenabbruchkante entdeckt und wurden Gegenstand vieler Untersuchungen. Auch wenn in den letzen Jahren bereits eine Vielzahl von Fragen beantwortet werden konnten sind andere noch nicht ausreichend geklärt. Beispiele hierfür sind z.B. die Frage nach der Neutronen-Korrelation im Halo und die Auswirkung des Halos auf den Rumpfkern.
Da der Kernladungsradius nur durch die Protonenverteilung des Kerns definiert ist bietet er einen idealen Ansatz um die Struktur des Rumpfkerns losgelöst von den Halo-Neutronen zu untersuchen. Der einzige modelunabhängige Ansatz den Kernladungsradius für kurzlebige Isotope zu bestimmen ist die laserspektroskopische Messung der Isotopieverschiebung. Bisher konnten nur zwei Arbeitsgruppen weltweit die Isotopieverschiebung der radiaktiven Isotope der leichtesten Elemente bestimmen und daraus die Kernladungsradien extrahieren. Eine Arbeitsgruppe am Argonne National Laboratory in den USA bestimmte die Kernladungsradien für ^6,8He (siehe Website), während unsere Arbeitsgruppe am Helmholzzentrum für Schwerionenforschung GSI in Darmstadt den Kernladungsradius von ¹¹Li bestimmte (siehe ToPLiS Experiment).
Voraussetzung für diese Projekte sind hochgenaue Rechnungen der atomaren Struktur der Atome, die mit der notwendigen Genauigkeit derzeit nur für drei Elektronen-Systeme durchgeführt werden können. Um die Ladungsradien von Be-Isotopen zu messen, muss man daher Spektroskopie am Ion Be⁺ betreiben.

Abbildung 1: Illustration des Halo-Kerns 11Be. Das Halo- Neutron umkreist den 10Be Kern in einem Abstand von ca. 7 fm.

Ein modifizierter Aufbau für kollineare Laserspektroskopie (siehe COLLAPS Website) kombiniert mit akkuraten Laser-Frequenzmessungen mit einem Frequenzkamm und hoch präzisen theoretischen Berechnungen eröffnete die Möglichkeit den Kernladungsradius der Be-Isotope ^7,10,11Be zu bestimmen. Hierbei ist vor allem ¹¹Be, der "Prototyp" eines Ein-Neutron-Halo-Kerns, von Interesse (vgl. Abbildung 1).

Die Messungen fanden im Frühjahr/ Sommer 2008 an ISOLDE (Isotope Separator On-line Device)/ CERN in Genf statt. Die Beryllium Isotope wurden resonant ionisiert, auf 50 keV beschleunigt und dem COLLAPS (Collinear Laser Spectroscopy) Experiment zugeführt.

Die Genauigkeit in der Bestimmung der Isotopieverschiebung mittels kollinearer Laser-Spektroskopie ist, gerade bei leichten Isotopen, durch die Ungenauigkeit der Beschleunigungsspannung limitiert. Der Fehler der sich dadurch in der Isotopieverschiebung für Beryllium ergibt ist ca. zwei bis viermal so groß wie die zu bestimmende Größe und daher ist diese Technik in der herkömmlicher Form nicht anwendbar.

Abbildung 2: Zwei Farbstofflaser werden bei 624 bzw. 628 nm betrieben und sind auf einen Frequenzkamm und auf verschiedene Iod-Übergänge stabilisiert. Anschließend findet eine Frequenzverdopplung statt, um den 2s -> 2p Übergang resonant bei ca. 313 nm anzuregen. Das Fluoreszenzlicht der Ionen wird von 2 Photomultipliern detektiert.

Strahlt man allerdings einen zweiten Laser anti-kollinear ein und misst mit beiden Lasern simultan den Übergang, so kann man, unabhängig von der Ungenauigkeit der Beschleunigungsspannung, die Übergangsfrequenz bestimmen. Hierzu ist es nun allerdings nötig die Frequenz der Laser absolut mit einer relativen Genauigkeit von mindestens 10^-9 zu bestimmen (besser als 1 MHz), was in dieser Form nur durch den Einsatz eines Frequenzkamms gewährleistet werden kann (vgl. Abbildung 2). Abbildung 3 zeigt einen kleinen Ausschnitt des verwendeten Lasersystems.

Abbildung 3: Gezeigt sind die zwei Farbstofflaser, die durch einen Nd:Yag gepumpt werden, sowie ein Teil der Iod-Stabilisierung (links).

Mit dieser Technik war es möglich die Kernladungsradien von ^7,10,11Be mit einer Unsicherheit besser als 1 % zu bestimmen. In der kommenden Ausgabe von PRL werden das Experiment und die Ergebnisse im Detail beschrieben. Bis zur Veröffentlichung steht eine pre-print Version unter http://arxiv.org/abs/0809.2607 zur Verfügung.

Aufgrund der geringen Produktionsraten von ^12,14Be an ISOLDE konnten die Übergangsfrequenzen bzw. die Isotopieverschiebung für diese Isotope nicht bestimmt werden. Möglichkeiten diese Limitierungen durch den Einsatz des ISCOOL cooler und bunchers an ISOLDE zu umgehen werden derzeit untersucht. Außerdem sind Messungen an lasergekühlten Be-Ionen in einer linearen Paulfalle geplant, um die bisher erreichte Genauigkeit weiter zu verbessern.

Studenten, die sich für Diplom- oder Doktorarbeiten in einem unserer Experimente interessieren, können sich jederzeit melden ( ) oder sich erst einmal hier über unsere Aktivitäten informieren.

Referenzen

M. Zakova

D. Tiedemann