Nuclear Physics with a Laser: 229Thorium

Die Grundbausteine der Materie, die Atome, bestehen aus einem Atomkern und einer Elektronenhülle. Beide werden durch ähnliche Prozesse gebildet und in der Physik durch ähnlich Formeln und Modelle beschrieben. Bemerkenswerterweise unterscheiden sich jedoch die Energien, die benötigt werden, um Änderungen (Anregungen) in der Hülle oder im Kern zu bewirken um viele Größenordnungen. Dementsprechend werden gänzlich verschiedene Methoden und Werkzeuge zu ihrer jeweiligen Untersuchung eingesetzt: Die Atomphysik beschäftigt sich mit Prozessen in der Elektronenhülle und verwendet heutzutage hauptsächlich Laser. Kernphysiker untersuchen den Atomkern und arbeiten mit großen Teilchenbeschleunigern, wie beispielsweise dem CERN. Das Radioisotop 229 Thorium ist das einzige Atom, welches eine Brücke zwischen den bisher getrennten Welten der Atom- und Kernphysik schlagen könnte. Es besitzt einen Anregungszustand des Atomkernes bei derart außergewöhnlich niedriger Energie, dass atomphysikalische Methoden, insbesondere Spektroskopie mit Lasern, eingesetzt werden können. Ziel des Projektes ist es, diesen "optischen" Kernübergang nachzuweisen und direkt für Anwendungen und grundlegende physikalische Untersuchungen nutzbar zu machen. Unsere "Sekunde" ist derzeit definiert als 9.192.631.770 Schwingungen einer Lichtwelle, die zu einer spezifischen Anregung der Elektronenhülle des Cäsium Atoms führt. Anregungen der Elektronenhülle sind jedoch sehr empfindlich auf magnetische und elektrische Felder, so dass die Atome in sog. "Atomuhren" aufwändig abgeschirmt werden müssen. Zusätzlich müssen die Messungen im ballistischen (freien) Fall durchgeführt werden, eine weitere Verbesserung des konventionellen Atomuhr-Konzeptes benötigt daher satellitengestützte Aufbauten. Würde man stattdessen den optischen 229 Thorium Kernübergang verwenden, so könnte man die Genauigkeit unseres Zeitstandards um viele Größenordnungen erhöhen, gleichzeitig vereinfacht sich der apparative Aufwand erheblich, weder Abschirmung noch ballistische Messungen sind notwendig. Die Demonstration einer derartigen "nuklearen Atomuhr" ist Ziel des Projekts. Die Frequenz des 229 Thorium Kernüberganges ist bestimmt durch die im Atomkern herrschende "Starke Kraft", im Gegensatz zu allen derzeit verwendeten Frequenzstandards, die auf Prozessen in der Elektronenhülle beruhen. Ein Vergleich einer "nuklearen Atomuhr" mit einer konventionellen Atomuhr ermöglicht daher eine der grundlegendsten Fragen der Physik zu untersuchen: Sind die Konstanten der Natur wirklich konstant?

Ziel des START Projektes war, es einen neuartigen Frequenzstandard basierend auf einem nieder-energetischen Kernzustand des Thorium-229 zu realisieren. Dieser Kernzustand wurde bisher nie direkt nachgewiesen, seine Energie wird bei 7.8 eV vermutet, was einer optischen Wellenlänge von 160 nm im ultravioletten (UV) Bereich entspricht.Unser Ansatz war, Thorium in einen kristallinen Festkörper einzuschließen, um eine stabile und sichere Probe für verschiedene spektroskopische Untersuchungen bereit zu stellen. Letztlich ist das Ziel, einen schmalbandigen Laser auf den Kernübergang im Thorium zu stabilisieren und somit einen neuen Typus optischen Frequenzstandard zu realisieren.Im START Projekt haben wir erstmaling Thorium-dotierte Kalziumfluorid-Einkristalle hergestellt, ein künstliches Material, welches vorher nicht existierte. Diese Kristalle nehmen das Thorium gut an und liefern eine vergleichsweise homogene Verteilung der Dotierung. Wir haben nachgewiesen, dass die Dotierung die optischen Eigenschaften, insbesondere die Transparenz im UV Bereich, nicht zerstört, was der kritischste Punkt des Ansatzes war. Dieses Material ist nun verfügbar und wird weltweit in Kollaborationen verwendet.In der geplanten Anregung über Laserlicht wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der entscheidende Punkt sein, da der Thoriumkern nur sehr schwach mit Licht wechselwirkt. Hintergrund kommt einerseits aus der intrinsischen Radioaktivität des Materials sowie aus Effekten, die durch die Bestrahlung mit UV Licht hervorgerufen werden.Wir konnten zeigen, dass das Lumineszenzspektrum der dotierten Kristalle nicht von der Dotierung abhängt sondern ausschließlich vom Trägermaterial. In Kalziumfluorid dominiert um UV Bereich eine Exzitonenlinie bei 230 nm, darunter wurde keine optische Aktivität beobachtet. Für Spektroskopie steht also ein Energiefenster zwischen 140 230 nm offen.Spektroskopische Messungen werden derzeit an verschiedenen Orten durchgeführt, insbesondere an zwei Synchrotron-Strahlquellen in Berlin und Japan. Wir sind zuversichtlich, dass diese noch andauernden Messungen eine Energiebestimmung des Thorium Isomerzustandes liefern werden.Das START Projekt hat zu einer Vielzahl an Kollaborationen geführt und eine internationale Community geformt. Dies führte zu einem erfolgreichen europäischen Kollaborationsprojekt (FET-Open) nuClock mit 8 Partnern, welches von START-PI Schumm koordiniert wird (Projektstart Sommer 2015). Der START Preis hat somit die gewünscht Anschubwirkung erzielt.