Wie der erste Kernübergang mit Lasern im sichtbaren Wellenlängenbereich angeregt werden kann

Das Thoriumisotop mit der Massenzahl 229 (229Th) ist in vielerlei Hinsicht hochspannend – sowohl für die Grundlagenphysik als auch für zukünftige Anwendungen, beispielsweise im Sinne einer Kernuhr.

Ein internationales deutsch-chinesisch-amerikanisches Forschungsteam unter Beteiligung der Gruppe von Prof. Dr. Dmitry Budker an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz hat nun einen völlig neuen Ansatz vorgeschlagen, um 229Th im Detail zu untersuchen. Die Forscher wollen Thoriumionen verwenden, die in ihrer Hülle nur noch drei von 90 Elektronen in einem neutralen Atom haben.

Ein solches System bietet viele Vorteile, berichten die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Forschung zur körperlichen Überprüfung, vor allem, dass der erste Kernübergang mit herkömmlichen Lasern im sichtbaren Wellenlängenbereich angeregt werden kann. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass die Ionen in einem relativistischen Speicherring zirkulieren.

Ein Testlabor für neue Physik

Das Besondere an Thorium-229 ist, dass sein Atomkern mit dem metastabilen isomeren Zustand Thorium-229m das mit Abstand niedrigste angeregte Energieniveau aller derzeit etwa 3.800 bekannten Atomkerne aufweist. Es ist daher der einzige nukleare Übergang, der möglicherweise mit Lasern abgefragt werden kann – auch ohne den Einsatz von Speicherringen. Die äußerst genaue Vermessung dieses Übergangs und der beiden Atomstaaten eröffnet vielversprechende und vielfältige Perspektiven.

Dafür schlagen die Forscher um Dmitry Budker nun einen neuen Ansatz vor – sowohl was den „Untersuchungsgegenstand“ als auch den Versuchsaufbau angeht: Sie nutzen hochgeladene Ionen, kurz HCIs, und zwar solche, in denen es solche gibt In der Elektronenhülle sind nur noch drei Elektronen übrig. In solch hoch geladenen Thoriumionen eröffnet das Zusammenspiel zwischen Elektron und Kern einige neue Übergänge, die genutzt werden können, um den isomeren Zustand des Kerns effizient zu „besiedeln“.

Die Idee ist, diese Thoriumionen in einem Teilchenbeschleuniger auf nahezu Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Dadurch entfalten sie sozusagen eine Hebelwirkung, um sie mit einem herkömmlichen Laser möglichst effektiv anzuregen und so sehr genau untersuchen zu können. Am wichtigsten ist, dass mehrere angeregte Zustände angesprochen und verwendet werden können, um den tatsächlich interessierenden isomeren Zustand zu „besiedeln“.

Die meisten bisherigen Studien zu Thorium-229m befassten sich mit nichtrelativistischen Atomen oder Ionen in niedrigen Ladungszuständen, was hohe Anforderungen an die zur Anregung erforderliche Lichtquelle stellt – denn es wird ein extrem kurzwelliger Laser im tiefen Ultraviolettbereich benötigt. „Die Tatsache, dass wir stattdessen einen Laser im sichtbaren – konventionellen – Wellenlängenbereich verwenden können, erleichtert spektroskopische Untersuchungen“, erklärt Dmitry Budker.

„Dass dies überhaupt möglich ist, hängt damit zusammen, dass die Thoriumionen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Aufgrund relativistischer Effekte nehmen sie einen von vorne auf sie gerichteten Laserstrahl als Strahl mit einer viel kürzeren Wellenlänge wahr: Für sie erscheint herkömmliches Laserlicht wie ein UV-Laser“, fügt Erstautor Junlan Jin, derzeit Doktorand, hinzu. Student an der Princeton University, der zuvor im Rahmen eines Fernpraktikums sehr eng und erfolgreich mit der Gruppe von Dmitry Budker zusammengearbeitet hat.

In der aktuellen Veröffentlichung beschreiben die Autoren die verschiedenen Schritte, die zur Umsetzung ihrer Methode erforderlich sind: Sie beginnen mit der Erzeugung eines beschleunigten Strahls hoch geladener Thoriumionen, mögliche Beschleunigerringe befinden sich in der im Bau befindlichen FAIR-Anlage bei GSI in Darmstadt. oder die geplante Gamma-Fabrik am CERN – auch die Autoren der aktuellen Thorium-Publikation sind an den konzeptionellen Vorschlägen zur Realisierung einer solchen „Superlichtquelle“ beteiligt.

Anschließend diskutieren sie ausführlich verschiedene Szenarien zur Erzielung einer möglichst vollständigen Anregung von Thoriumkernen, bevor sie sich auf die Detektion der erzeugten angeregten Zustände und die Übertragbarkeit auf ähnliche Systeme konzentrieren.

Das Fazit des Forschungsteams: Ihrer Schätzung zufolge kann die Energie des isomeren Zustands mit einer Genauigkeit von besser als 10-4 oder sogar bis unter 10-6 gemessen werden, was einer Verbesserung des aktuellen Wertes um Größenordnungen entspricht. Dies würde den Weg für weitere Verbesserungen bei der Bestimmung der Energie des isomeren Zustands ebnen und dazu beitragen, grundlegende physikalische Fragen mithilfe des Thoriumsystems zu beantworten.

„Die Entwicklung einer nuklearen Uhr steht nicht so sehr im Mittelpunkt unseres Vorschlags, denn für deren Realisierung bringt unsere neue Methode verschiedene technologische Herausforderungen mit sich“, fügt Dmitry Budker hinzu.

„Thorium ist für uns jedoch eine sehr große ‚Spielwiese‘ für die Auseinandersetzung mit fundamentalen Fragen der Physik, sozusagen ein Testlabor für neue Physik. Wir wollen zum Beispiel die Frage beantworten, ob bestimmte Grundkonstanten der Natur das vielleicht nicht sind.“ so konstant, aber driften oder oszillieren mit der Zeit oder mit dem Ort. Darüber hinaus kann man sich Tests grundlegender Symmetrien und die Suche nach Teilchen oder Feldern vorstellen, die über das Standardmodell hinausgehen.“