Isomeren Kernzuständen auf der Spur

Nachweis des NETP Prozess

  • Abb. 1: Schematisch und künstlerisch aufbereitete Sicht des NETP Prozesses zur Kernanregung mit Hilfe von Zweiphotonenzerfällen ausgewählter Isotope und Ionen.Abb. 1: Schematisch und künstlerisch aufbereitete Sicht des NETP Prozesses zur Kernanregung mit Hilfe von Zweiphotonenzerfällen ausgewählter Isotope und Ionen.
  • Abb. 1: Schematisch und künstlerisch aufbereitete Sicht des NETP Prozesses zur Kernanregung mit Hilfe von Zweiphotonenzerfällen ausgewählter Isotope und Ionen.
  • Abb. 2: Darstellung der Einzelschritte beim NETP Prozess. Ein gezielt angeregter elektronischer Anfangszustand (i), in dem der Kern im Grundzustand ist (linke Seite), zerfällt unter der Emission eines Photons γ1 in den Grundzustand der Elektronenhülle (f) und einem nun angeregten Kernzustand (Mitte). Dieser angeregte Kernzustand geht dann verzögert ebenfalls in den Grundzustand über (rechte Seite), wobei das Fluoreszenzphoton γ2 abgestrahlt wird (emittierte Photonen jeweils dargestellt durch eine rote Wellenlinie).
Ein bislang unbeachteter Anregungs- und Zerfallsmechanismus, der auf dem Zweiphotonenzerfall angeregter Atome und Ionen beruht, könnte künftig bei der Untersuchung isomerer Kernzustände helfen. Erste konkrete Rechnungen wurden für den 1s2s 1S0 → 1s2 1S0 E1E1 Zweiphotonenzerfall helium-ähn-licher 225Ac87+ Ionen druchgeführt, die bei ωES = 40.09(5) keV eine bekannte 3/2+ Kernresonanz besitzen. Die Wahrscheinlichkeit solcher (resonanten) Kernanregungen beträgt etwa PNETP = 3.5 × 10-9 und ist groß genug, um diesen Zerfallsmechanismus nachzuweisen und evtl. auf noch unbekannte Kernzustände übertragen zu können.
 
Einführung
 
Atomphysikalische Methoden helfen seit vielen Jahren, die Isotopenkarte der Kernphysik, eine Tafel aller bekannten Nuklide und deren Eigenschaften, weiter zu vervollständigen. Diese Isotopentafel hat für die Kernphysiker einen ähnlichen Stellenwert wie das in der Physik, Chemie und den Materialwissenschaften gut bekannte Periodensystem der Elemente. Für viele Isotope wurden tatsächlich der Spin, die Kernmomente sowie die mittleren Ladungsradien der Kerne mit Hilfe atomarer Streuexperimente und  laserspektroskopischer Messungen bestimmt [1]. Neben der Vermessung der Grundzustandseigenschaften der Isotope helfen diese Methoden zudem, auch Informationen über die Anregung und den Zerfall isomerer Zustände zu gewinnen (Abb. 1).
 
Besondere Aufmerksamkeit richtete sich in den vergangenen Jahren dabei auf das Thorium-Isotop 229Th [2], das einen lang-lebigen isomeren Kernzustand nur wenige eV oberhalb des Grundzustandes besitzt. Ein solcher isomerer Zustand hat ausgezeichnete Eigenschaften, um die von den Atomuhren bei Zeit- und Frequenzmessungen bekannte Genauigkeit weiter zu steigern und gewissermaßen auf “Kernuhren” zu übertragen. Bislang konnte dieser isomere Zustand des 229Th Isotops allerdings nur indirekt nachgewiesen werden. Eine präzise Bestimmung der Anregungsenergien dieser Kernzustände steht dagegen noch aus und wird gegenwärtig von mehreren Gruppen weltweit verfolgt.
 
NETP-Prozess
 
Um solche isomeren Kernzustände künftig gezielter auffinden und untersuchen zu können, haben wir kürzlich einen bislang unbeachteten Zerfallskanal analysiert, der zu einer Kernanregung führt und gemeinsam mit den bekannten Zweiphotonenzerfällen von Atomen und (hochgeladenen) Ionen auftritt.

Dieser sogenannte NETP-Prozess (nuclear excitation by two-photon electron transitions) wird durch gleichzeitige Emission zweier Photonen unterstützt und wirkt vor allem dann, wenn die üblichen Dipolübergänge zwischen zwei atomaren Niveaus selbst “verboten” sind. Da sich die dabei  freigesetzte Energie jedoch auf die beiden Photonen aufteilt, können so auch Photonenpaare auftreten, für die eines der Lichtteilchen gerade die richtige Energie für die Anregung des Kernes aufweist. Natürlich lassen sich damit nur Kernzustände besetzen, deren Anregungsenergie kleiner als die Energie der anfänglich angeregten Elektronenhülle ist. Anstelle eines Photonenpaares wird im NETP Prozess daher zunächst nur ein Photon freigesetzt, während das zweite vom Kern absorbiert und so gewissermaßen “verschluckt” wird.

 
Eine detailliertere Betrachtung des NETP Prozesses erfordert es natürlich, die intermediären Kernanregungen gezielt in der theoretischen Beschreibung zu berücksichtigen. Der Kern und die Elektronenhülle bilden dabei ein zusammengesetztes Quantensystem, in dem die elektronischen und Kern-anregungen nun gekoppelt sind. Dies ist schematisch in Abbildung 2 dargestellt, in der neben dem ursprünglichen Anfangszustand (i) und dem Grundzustand der Elektronenhülle (f) ein langlebiger Zwischenzustand (ES) des Gesamtsystems auftritt. In diesem Zwischenzustand hat der elektronische Teil bereits alle seine Energie abgegeben (f), während sich der Kern nun in einem angeregten Zustand (ES) befindet. Dabei entkommt dem Atom zunächst nur das Photon mit der Frequenz ω1, während das zweite vom Kern re-absorbiert wurde und somit hilft, die anfänglich im System gespeicherte Energie ΔE zu erhalten. Dieses ‘zweite’ Photon wird jedoch etwas später freigesetzt, wenn auch der Kern in seinen Grundzustand zurückkehrt, wobei sich typische Lebendauern isomerer Zustände von (Bruchteilen von) Sekunden bis hin zu Tagen oder gar Jahren erstrecken können. Aber bereits Lebensdauern von Sekunden oder Minuten sind ungleich länger als die (fast) gleichzeitige Emission des Photonenpaares, wie dies beim gewöhnlichen Zweiphotonenzerfall beobachtbar ist. Da sich die Photonenpaare die Gesamtenergie ΔE des Atoms stets kontinuierlich teilen, kann der NETP Prozess mit einer kleinen, wenn auch nichtverschwindenden Wahrscheinlichkeit zudem für alle Kernzustände auftreten, deren Anregungsenergie kleiner als ΔE ist.
 
Für eine erste konkrete Abschätzung solcher Wahrscheinlichkeiten untersuchten wir den 1s2s 1S0 → 1s2 1S0 E1E1 Zweiphotonenzerfall helium-ähnlicher 225Ac87+ Ionen. Dieses Actinium-Isotop besitzt bekanntlich bei ωES = 40.09(5) keV einen angeregten 3/2+ Kernzustand, der mit einer Lebensdauer von etwa 2 ns in den Grundzustand des Kernes zerfällt. Eine genauere Analyse der quantenmechanischen Amplituden und Wahrscheinlichkeiten liefert für dieses Isotop eine Wahrscheinlichkeit PNETP = 3.5 × 10-9, verglichen mit der Gesamtwahrscheinlichkeit eines Zweiphotonenzerfalles des angeregten 1s2s 1S0 Zustandes der Elektronenhülle [3]. Diese Wahrscheinlichkeit mag auf den ersten Blick hin sehr klein erscheinen, im Vergleich mit anderen möglichen Anregungsprozessen des Kernes ist sie jedoch unerwartet hoch, und insbesondere da das Volumenverhältnis des Kernes zur Atomhülle ja nur etwa 10-13 … 10-16 beträgt.
 
Nachweis des NETP Prozess
 
Um den NETP Prozess nachzuweisen, haben wir ferner gemeinsam mit Forschern des Helmholtzzentrums GSI in Darmstadt ein Experiment vorgeschlagen [3], um die  verzögerte Emission des zweiten Photons γ2 direkt zu messen. Der hierfür benötigte 1s2s 1S0 Anfangszustand der Elektronenhülle helium-ähnlicher Ionen kann effizient in Stößen lithium-ähnlicher Ionen mit einem N2 Gastarget erzeugt werden, wozu es an der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) bereits umfangreiche Erfahrungen gibt. Auch die bei diesem Zweiphotonenzerfall freigesetzten Röntgenphotonen können heutzutage mit nahezu 100 %-tiger  Effi-zienz nachgewiesen werden, wobei die Umladung der (anfänglich lithium-ähnlichen) Ionen und die nachfolgende Röntgenemission koinzident nachgewiesen werden soll. Ein Vorteil des vorgeschlagenen Experimentes ist es, dass der NETP Prozess zu einer resonanten Erhöhung des ansonsten kontinuierlich verteilten Photonenspektrums und somit zu einer sehr klaren “experimentellen Signatur” führt. Für die Detektion der vom Kern verzögerten Fluoreszenzphotonen γ2 soll dazu ferner ein hocheffizienter und im Vakuumsystem integrierter Röntgendetektor genutzt werden, um einen größtmöglichen Raumwinkel abzudecken.
 
Diese Experimente zum NETP Prozess können bereits mit den gegenwärtig verfügbaren Experimentaufbauten und Detektoren durchgeführt werden. Am Experimentspeichering der GSI können bspw. ≥ 108 kalte Ionen in einem Puls gebündelt und für Ion-Atom Stöße an einem Gastarget verwendet werden. Aufgrund der hohen Umlauffreqenz der Ionen im Speicherring (ca. 2 MHz) stehen damit Targetdichten von etwa 1014 cm-2 zur Verfügung, die zu einer entsprechend hohen Luminosität der detektierten Röntgenphotonen beitragen. Eine erste Abschätzung mit der obigen Wahrscheinlichkeit PNETP = 3.5 × 10-9 und den verfügbaren Experimentierbedingungen lassen so einige hundert NETP Fluoreszenzphotonen pro Tag einer Strahlzeit erwarten. Dies wäre für einen ersten Nachweis des NETP Prozesses ausreichend, und diese Zahl läßt sich sicher weiter steigern, wenn der neue Beschleunigerkomplex FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) in Darmstadt in den kommenden Jahren aufgebaut wird.

Autoren
Andrey V. Volotka1,2 und Stephan Fritzsche1,2

 
Zugehörigkeiten

1 Helmholtz-Institut Jena, Jena, Germany
2 Theoretisch-Physikalisches Institut, Friedrich-Schiller-Universität, Jena, Germany
 
Kontakt
Prof. Dr. Stephan Fritzsche
Helmholtz-Institut Jena
s.fritzsche@gsi.de
 
 
Referenzen

[1] H.-J. Kluge, Hyperfine Interact. 196, 295 (2010); DOI: 10.1007/s10751-010-0172-9
[2] L. von der Wense et al., Nature (London) 533, 47 (2016); DOI: 10.1038/nature17669
[3] A. V. Volotka, A. Surzhykov, S. Trotsenko, G. Plunien, Th. Stöhlker, and S. Fritzsche, Phys. Rev. Lett. 117, 243001 (2016); DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.243001

 

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