Einen Beschleuniger zu bauen ist die eine Kunst. Die andere besteht darin, die Teilchen anschließend wieder anzuhalten. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der TU Darmstadt, des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung und der Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR (HFHF) ist an der Anlage HITRAP nun erstmals der komplette Weg gelungen: von hoch geladenen Ionen aus dem laufenden Beschleunigerbetrieb bis zu ihrer Speicherung in einer Penningfalle. Erstmals konnten sie die Ionen dort auch mit Elektronen kühlen. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Physical Review X erschienen.
Um zu verstehen, warum das ein Meilenstein ist, lohnt sich ein Blick auf das Untersuchungsobjekt. Hoch geladene Ionen sind Atome, denen man einen Großteil ihrer Elektronen entrissen hat – im Extremfall alle. Zurück bleibt der blanke Atomkern. Bei schweren Elementen herrschen in unmittelbarer Umgebung eines solchen Kerns die stärksten elektrischen Felder, die im Labor überhaupt verfügbar sind. Wer die Quantenelektrodynamik, also unsere fundamentale Theorie der Wechselwirkung von Licht und Materie, auf Herz und Nieren prüfen will, findet hier ein einzigartiges Testfeld.
Das Problem liegt in der Herstellung. Die effizienteste Methode, schweren Atomen ihre Elektronen zu entreißen, ist der Beschuss im Flug – und der funktioniert nur bei sehr hohen Energien. Was am Ende herauskommt, rast mit rund 30 Prozent der Lichtgeschwindigkeit durch die Anlage. Für Präzisionsmessungen ist das denkbar ungünstig: Bewegte Teilchen exakt zu vermessen ist schwierig.. Und für die Materialforschung, die langsame Ionen auf Oberflächen treffen lassen möchte, sind solche Geschosse schlicht unbrauchbar. Man braucht die Ionen, aber man hätte sie gerne langsam.
Genau diese Lücke schließt HITRAP. Für das nun veröffentlichte Experiment nutzte das Team um den HFHF-Wissenschaftler Wilfried Nörtershäuser vollständig ionisiertes Argon, bei dem alle achtzehn Elektronen fehlten. Diese Kerne wurden bei einer Energie von 45 Megaelektronenvolt pro Nukleon aus dem Beschleuniger übernommen und in mehreren Stufen abgebremst – bis auf 6 Kiloelektronenvolt pro Nukleon. Das entspricht einer Reduktion der Bewegungsenergie um etwa den Faktor 10.000 und bringt die Ionen auf weniger als ein Prozent der Lichtgeschwindigkeit herunter. Anschließend wurden sie für mehrere Sekunden in der HITRAP-Kühlfalle festgehalten. Es ist, als wollte man ein Geschoss im Flug so weit abbremsen, dass man es am Ende in die Hand nehmen kann.
Der zweite Durchbruch ereignete sich in dieser Falle selbst. Eine Penningfalle hält geladene Teilchen mit einer Kombination aus elektrischen Feldern und einem starken Magnetfeld an Ort und Stelle. Die HITRAP-Kühlfalle ist so konstruiert, dass sie zwei Teilchensorten gleichzeitig speichern kann: die hoch geladenen Ionen und eine Wolke kalter Elektronen. Kommen sich beide nahe, geben die Ionen über ihre elektrische Wechselwirkung Energie an die Elektronen ab – ganz ähnlich wie Eiswürfel einem warmen Getränk die Wärme entziehen. Die Elektronen wiederum strahlen diese Energie im Magnetfeld ab. Dass diese Elektronenkühlung bei hoch geladenen Ionen in einer Penningfalle funktioniert, wurde nun zum ersten Mal überhaupt beobachtet.
Erstautor der Studie ist Simon Rausch, der in der Arbeitsgruppe von Professor Wilfried Nörtershäuser am Institut für Kernphysik der TU Darmstadt promovierte. Die Arbeiten entstanden in enger Zusammenarbeit mit dem Entschleuniger-Department (kein Tippfehler!) der GSI. Rausch beschreibt das Vorgehen anschaulich: Man habe den Argon-Ionen zunächst „sämtliche Elektronen entrissen" und dann ihre Bewegungsenergie um vier Größenordnungen heruntergefahren, bevor an ein Einfangen überhaupt zu denken war.
Was daraus folgt, reicht weit über eine einzelne Messung hinaus. Ruhende schwere Ionen erlauben die bislang schärfsten Tests der Quantenelektrodynamik in starken Feldern, etwa über den g-Faktor gebundener Elektronen oder die Hyperfeinstruktur. Wie nützlich langsame hoch geladene Ionen darüber hinaus sind, zeigte bereits das erste Nutzerexperiment an der Anlage, bei dem Gold-Ionen für materialwissenschaftliche Untersuchungen zum Einsatz kamen. Auch die Astrophysik profitiert: Viele Prozesse in heißen kosmischen Plasmen lassen sich nur verstehen, wenn man das Verhalten hoch geladener Ionen im Detail kennt.
Für die HFHF ist dieses Ergebnis in doppelter Hinsicht charakteristisch. Zum einen steht dahinter genau jene Verbindung aus Anlagenentwicklung, Instrumentierung und fundamentaler Physik, für die die Akademie gegründet wurde – die Arbeiten wurden vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt und von der HFHF gefördert. Zum anderen entsteht mit HITRAP eine weltweit einzigartige Plattform, die bei GSI und dem künftigen FAIR Präzisionsexperimente mit schweren hoch geladenen Ionen möglich macht. Manchmal ist der entscheidende Fortschritt eben nicht die nächste Beschleunigungsstufe, sondern die Bremse.
Originalpublikation: https://doi.org/10.1103/961c-j3p5