Auf der Jagd nach dem niedrigsten bekannten angeregten Kernzustand

Messungen in Thorium-229 sind ein Schritt hin zur direkten Laseranregung eines Atomkerns.

Auf dem Atomkern basierende Uhren könnten unsere Zeitmessung noch genauer machen als heutige Atomuhren. Der Schlüssel dazu liegt in Thorium-229, einem Atomkern, dessen niedrigster angeregter Zustand eine sehr geringe Energie aufweist. Einem Forscherteam aus dem Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg, der Technischen Universität Wien, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), dem Helmholtz-Institut Mainz (HIM) und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt ist es nun gelungen, diese niedrige Energie zu messen. Mit einem extrem genauen Detektor konnte der winzige Temperaturanstieg nachgewiesen werden, der durch die bei der Abregung des Atomkerns freigesetzte Energie entsteht. Damit kommt man der Realisierung einer Kernuhr einen großen Schritt näher.

Beim radioaktiven Zerfall ordnen sich Atomkerne spontan neu an, emittieren einen Teil ihrer Bestandteile und verwandeln sich in einen Kern eines anderen Atoms. Bei diesem Prozess verbleibt im neuen „Tochterkern“ normalerweise intern gespeicherte Energie, die in Form von Gammastrahlen freigesetzt wird. Die Energien dieser Strahlen sind – wie Fingerabdrücke – für jeden Kerntyp charakteristisch. Durch die Charakterisierung dieser Gammastrahlen-Fingerabdrücke lernen die Forscher viel über Atomkerne.

Bereits 1976 untersuchten L.A. Kroger und C.W. Reich den Zerfall von Uran-233, einem künstlichen Urankern, der unter Aussendung eines Alphateilchens zu Thorium-229 zerfällt; unmittelbar darauf folgt die Emission charakteristischer Gammastrahlen, die in unterschiedlichen und im Allgemeinen gut verstandenen Mustern auftreten. Kroger und Reich registrierten jedoch eine Anomalie: Eine Energie im Spektrum der Gammastrahlung, die von allen Nukleartheorien vorhergesagt wurde, fehlte in den gemessenen Signalen.

Die beste Erklärung war, dass die im niedrigsten angeregten Zustand von Thorium-229 gespeicherte innere Energie zu gering war, als dass die entsprechende Strahlung von den Detektoren beobachtet werden konnte. In den folgenden Jahrzehnten wurden viele Versuche unternommen, diese niederenergetische Gammastrahlung zu beobachten, allerdings ohne Erfolg, wodurch sie auf immer niedrigere Energien beschränkt wurde.

Perspektiven für die Konstruktion einer Kernuhr verbessert

Heute wissen wir, dass der niedrigste angeregte Energiezustand des Thorium-229-Kerns, ein sogenannter Isomerenzustand, bei der niedrigsten bekannten Energie aller Atomkerne überhaupt liegt, bei einer Energie, die um Größenordnungen niedriger ist als übliche Anregungsenergien. Folglich ist die Energie der zugehörigen Gammastrahlung so niedrig, dass sie im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums und nicht im typischen Gammastrahlenbereich liegt.

Dies führt zu der einzigartigen Situation, dass der umgekehrte Prozess der Abregung durch die Emission dieser „ultravioletten Gammastrahlung“, nämlich die Anregung des unteren Zustands durch Einstrahlen von ultraviolettem Licht auf den Kern, möglich ist. Es ist das einzige Kernsystem, das mit „Table-Top“-Laserlicht angeregt werden kann. Damit eröffnen sich spannende Perspektiven, unter anderem die Konstruktion einer „nuklearen“ Uhr, bei der die Zeit durch Schwingungen des Kerns zwischen diesen beiden Zuständen gemessen wird. Die Präzision einer solchen Uhr wird voraussichtlich besser sein als die der derzeit besten Atomuhren, die auf Schwingungen zwischen Zuständen in der Elektronenhülle beruhen, die anfälliger für externe Störungen ist als der 10.000 Mal kleinere Kern.

Das Hauptproblem besteht jedoch darin, dass die Energie des isomeren Zustands noch nicht genau genug bekannt ist, um zu wissen, welches ultraviolette Licht benötigt wird, um die Schwingung zu stimulieren. Das Konsortium von Forschern aus Heidelberg, Wien, Mainz und Darmstadt hat nun die Gammaspektroskopie-Messung von Kroger und Reich wiederholt, allerdings unter Verwendung eines hochmodernen Gammaspektrometers, das explizit für die Registrierung von Strahlen solch niedriger Energie ausgelegt ist.

Kühle Studien ergeben höchste Präzision

Dazu entwickelte das Forscherteam um Prof. Dr. Christian Enss und Dr. Andreas Fleischmann am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg ein magnetisches Mikrokalorimeter, genannt „maXs30“. Dieser auf minus 273 Grad Celsius gekühlte Detektor misst den winzigen Temperaturanstieg, der bei der Absorption einer niederenergetischen Gammastrahlung auftritt. Der Temperaturanstieg führt zu einer Änderung der magnetischen Eigenschaften des Detektors, die dann mithilfe von SQUID-Magnetometern, ähnlich denen, die üblicherweise in der Magnetresonanztomographie verwendet werden, in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Der maXs30-Detektor hat eine bisher unerreichte Energieauflösung und Verstärkungslinearität; dennoch brauchte es etwa zwölf Wochen kontinuierlicher Messungen, um das Gammastrahlenspektrum mit ausreichender Genauigkeit zu erhalten.

Um diese anspruchsvolle Messung zu ermöglichen, stellte das Team von Prof. Dr. Christoph Düllmann in Mainz und Darmstadt eine spezielle Probe von Uran-233 her. Zunächst entfernten sie chemisch alle Zerfalls-Tochterprodukte, die im Laufe der Zeit vor der Verwendung der Probe entstanden waren. Außerdem entfernten sie unerwünschte Radioisotope, deren Zerfall zu einem unerwünschten Untergrund in den Messdaten führt. Dann entwarfen sie eine Quellengeometrie und einen Probenbehälter, die zu minimalen Störungen der schwachen Signale auf dem Weg von der Probe zu den maXs30-Kalorimetern führten.

Diese Schritte waren für den Erfolg der Messung erforderlich, da nur einer von 10.000 Abregungsvorgängen ein Signal erzeugt, das für die Bestimmung der Isomerenenergie nutzbar ist. Die Messung ergab das bisher präziseste Gammastrahlenspektrum des Zerfalls von Uran-233 zu Thorium-229. Das Team von Prof. Dr. Thorsten Schumm an der Technischen Universität Wien hat zusammen mit dem Heidelberger Team vier verschiedene Schemata angewandt, um aus diesen Daten die Energie des Isomerenzustands abzuleiten.

Das präziseste ergab einen Wert von 8,10(17) Elektronenvolt, was Licht einer Wellenlänge von 153,1(32) Nanometer entspricht, wobei die Zahl in Klammern die Unsicherheit der letzten Ziffern angibt. Diese Messung ebnet den Weg für eine direkte Laseranregung des Thorium-229-Isomers.

Gemeinsame Pressemitteilung von Universität Heidelberg, TU Wien, JGU, HIM und GSI

Bildmaterial:
https://download.uni-mainz.de/presse/09_chemie_gsi_him_koop_thorium_229_messung….
Rasterelektronenmikroskopaufnahme der insgesamt 64 verwendeten maXs30-Mikrokalorimeter: Jedes einzelne Mikrokalorimeter ist 0,5 x 0,5 Quadratmillimeter groß.
Foto/©: Matthäus Krantz

Weiterführende Links:
https://www.superheavies.de/ – Homepage SHE Chemistry
https://physics.aps.org/articles/v13/152 – Physics Viewpoint „Ticking Toward a Nuclear Clock“
https://doi.org/10.5281/zenodo.3931904 – Energiespektrum – Rohdaten

Lesen Sie mehr:
https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/9428_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Auf dem Weg zur Kernuhr“ (12.09.2019)
http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/4771_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Auf dem Weg zur optischen Kernuhr“ (19.04.2018)
http://www.uni-mainz.de/presse/75340.php – Pressemitteilung „Entwicklung hochpräziser Kernuhr rückt näher“ (06.05.2016)
http://www.kernchemie.uni-mainz.de/951.php – Direkter Nachweis des exotischen Kernisomers in Thorium-229 ist ein „Physics World Top Ten Breakthrough“ des Jahres 2016

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Christoph E. Düllmann
Department Chemie – Standort TRIGA
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-25852
Fax +49 6131 39-20811
E-Mail: duellmann@uni-mainz.de
http://www.kernchemie.uni-mainz.de/

GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH
Abteilung SHE Chemie
64291 Darmstadt
Tel. +49 6159 71-2462
Fax +49 6159 71-3463
E-Mail: C.E.Duellmann@gsi.de
https://www.gsi.de/start/aktuelles.htm

Originalpublikation:

T. Sikorsky et al., Measurement of the 229Th Isomer Energy with a Magnetic Microcalorimeter, Physical Review Letters, 28. September 2020,
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.142503
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.142503

https://www.uni-mainz.de/