Masse des Deuterons korrigiert

Hochpräzise Messungen der Masse des Deuterons, des Kerns von schwerem Wasser­stoff, bringen neue Erkenntnisse über die Zuverlässig­keit funda­mentaler Größen der Atom- und Kernphysik. Das berichtet eine Kollabo­ration unter der Leitung des MPI für Kernphysik. Damit stehen jetzt direkt auf den atomaren Massen­standard bezogene Daten für Wasserstoff H, Deuterium D und das Molekül HD, das die Wissen­schaftler ebenfalls neu gewogen haben, zur Verfügung.

Die Massen der Atomkerne wie auch die des Elektrons beeinflussen zahlreiche Eigen­schaften von Atomen und Molekülen, beispiels­weise ihre Spektren. Physiker wünschen sich möglichst genaue Werte dieser Massen, denn nur mit deren Kenntnis ist es möglich, die Spektren mit Hilfe der Atomphysik präzise zu berechnen – um sie dann mit direkten Messungen zu vergleichen und so beispiels­weise Rück­schlüsse auf die Zuverläs­sig­keit der grundlegenden physika­lischen Theorien zu ermöglichen.

Von besonderem Interesse sind in diesem Kontext Wasserstoff und seine Isotope, denn deren einfache Elektronen­hülle mit nur einem einzigen Elektron lässt extrem präzise Berechnungen und damit sehr sensitive Tests grund­legender physika­lischer Theorien zu. Darüber hinaus lässt sich aus der Masse des Deuterons auch die Masse des Neutrons ableiten. Nachdem sie in den letzten Jahren schon das Elektron und das Proton, also den Kern des gewöhn­lichen Wasser­stoff­atoms, präzise gewogen hatten, haben Forscher um Klaus Blaum und Sven Sturm vom MPI für Kernphysik jetzt auch das Deuteron, den Kern von schwerem Wasserstoff, bestehend aus einem Proton und einem Neutron, sowie das HD⁺-Molekülion auf die Präzisions­waage gelegt. Da Deuterium selten ist und normalerweise leicht durch den viel häufigeren normalen Wasserstoff ersetzt wird, hat eine Arbeits­gruppe von Christoph Düllmann an der Uni Mainz eine spezielle Deuterium-Probe passgenau für die verwendete Apparatur hergestellt.

Als Präzisionswaagen für Ionen haben sich Penning­fallen bewährt. In solch einer Falle kann man einzelne geladene Teilchen mit Hilfe von elektrischen und magnetischen Feldern für lange Zeit einsperren. Das gefangene Teilchen führt in der Falle eine charak­teris­tische Bewegung aus, die durch eine Frequenz beschrieben wird. Diese Frequenz hängt von der Masse des gefangenen Teilchens ab – schwerere Teilchen schwingen langsamer als leichtere. Wenn man nun zwei unter­schied­liche, einzelne Ionen nachein­ander in der gleichen Falle vermisst, kann man so das Verhältnis der Massen exakt ermitteln.

Der Massenstandard für Atome ist das Kohlen­stoff­isotop ¹²C, das per Definition 12 atomare Massen­einheiten schwer ist. „Unsere LIONTRAP genannte Penning­fallen-Apparatur befindet sich in nahezu perfektem Vakuum bei einer Temperatur von etwa 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt in einem supra­leitenden Magneten. Darin haben wir je ein Deuteron D⁺ und ein Kohlenstoffion ¹²C⁶⁺ präpariert, abwechselnd eines davon aus seiner Speicherfalle in die dazwischen eingebaute Präzisions­falle trans­feriert und seine Bewegung genauestens vermessen“, erklärt Sascha Rau, der die Messungen durch­geführt hat, das Messprinzip. „Aus dem so erhaltenen Verhältnis der Frequenzen beider Ionen ergibt sich direkt die Masse des Deuterons in atomaren Einheiten.“ Das Kohlen­stoff­ion agiert also als Referenz­gewicht.

Bei der Auswertung der Messdaten mussten die Forscher eine Vielzahl an systema­tischen Effekten berück­sichtigen. Als Ergebnis erhielten sie die Masse des Deuterons zu 2,013553212535(17) atomaren Einheiten. Die mit derselben Methode bestimmte Masse des Wasserstoff-Molekülions HD⁺ beträgt 3,021378241561(61) atomare Einheiten.

Der neue Wert für die Masse des Deuterons ist der genaueste jemals gemessene, ist aber signifikant kleiner als der tabel­lierte Referenz­wert. „Um unser Ergebnis zu validieren, haben wir damit und mit den früher von uns gemessenen Massen des Protons und des Elektrons sowie der bekannten Bindungs­energie die Masse von HD⁺ berechnet. Das Resultat stimmt hervor­ragend mit unserem direkt gemessenen Wert überein. Außerdem passt das aus unseren Daten abgeleitete Massen­verhältnis von Deuteron zu Proton sehr gut zu dem von einer anderen Gruppe direkt gemessenen Wert“, freut sich Sturm. Diese Konsistenz der Daten unter­mauert die verwendete Mess­methodik und legt es nahe, dass die Referenz­werte korrigiert werden sollten. Außerdem verringern die neuen Daten die bisher bei den Massen leichter Kerne bestehenden Diskre­panzen erheblich. Um diese jedoch voll­ständig aufzuklären, sind weitere hoch­präzise Massen­messungen – direkt in atomaren Einheiten – an über­schwerem Wasserstoff und leichtem Helium erforderlich.

MPIK / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Rau et al.: Penning-trap mass measurements of the deuteron and the HD⁺ molecular ion, Nature, online 2. September 2020; DOI: 10.1038/s41586-020-2628-7
• Abt. Gespeicherte und gekühlte Ionen, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
• AG Superschwere Elemente (C. Düllmann), Dept. Chemie, Johannes-Gutenberg-Universität Mainz