Measurement of QEC by Penning-Trap Mass Spectrometry

• Antragsteller: Professor Dr. Klaus Blaum
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254114301

Im Rahmen der zweiten Phase des ECHo Projekts (ECHo-100k) ist das Ziel der Gruppe des PIs einen unabhängigen und direkt gemessenen Q-Wert des Elektroneneinfangs in 163Ho mit einer Ungenauigkeit von nur wenigen eV bereitzustellen. Der dafür verwendete Aufbau ist das Hochpräzisions-Penningfallen-Massenspektrometer PENTATRAP am MPIK in Heidelberg, welches sich im Moment in der Inbetriebnahme befindet. Für das Erreichen dieser Massengenauigkeit müssen zwei Teilprojekte erfolgreich umgesetzt werden: Das erste umfasst die Entwicklung einer stabilen und zuverlässigen Ionenquelle mit einer Produktionsrate von einigen zehn 163Ho-Ionen pro Sekunde. Da die Probengröße nur wenige Nanogramm beträgt, sollen die Optimierungen mit dem stabilen Nuklid 165Ho vorgenommen werden. Dafür ist ein Testaufbau bestehend aus einer Elektronenstrahl-Ionenfalle (engl. Electron Beam Ion Trap, EBIT), einem 90°-Ablenkmagneten zur Separation der Ladungszustände und einer Diagnosestation in Arbeit. Mithilfe der EBIT können verschiedene Ionenproduktionstechniken ausführlich getestet werden, um herauszufinden, welche am besten zu den Anforderungen des Projektes passt. Zwischen EBIT und Diagnosestation bestehend aus einer Mikrokanalplatte mit Phosphorschirm ist der 90°-Ablenkmagnet zur Zustandsselektion eingebaut, welcher ein Massen-zu-Ladungs-Auflösungsvermögen von ca. 400 besitzt. Die Ergebnisse des Testaufbaus erlauben es uns eine Ionenquelle zu bauen, welche das Penningfallen-Massenspektrometer PENTATRAP mit einer ausreichend großen Anzahl an hochgeladenen Ho-Ionen versorgt. Das zweite Teilprojekt besteht aus der Inbetriebnahme des Penningfallen-Massenspektrometers PENTATRAP. Das Massenspektrometer wurde zum Messen von Massenverhältnissen hochgeladener Ionen mit einer relativen Unsicherheit von 10E-11 entworfen. Es besteht aus fünf Penningfallen im Inneren der kalten Bohrung eines 7T-Magneten und geeigneten Detektionssystemen für den Spiegelstromnachweis. Die Inbetriebnahme umfasst: (i) den erfolgreichen Transport verschiedener Ionenspezies von der Ionenquelle zum Massenspektrometer und die dortige Speicherung in einer der fünf Fallen über mehrere Stunden; (ii) die gespeicherten Ionen werden für die Messungen vorbereitet indem ihre Bewegungen in der Falle durch Widerstandskühlen gedämpft werden; (iii) die Fallen werden mithilfe von Referenzionen optimiert, z.B. mittels hochgeladenen Argonionen; (iv) die Bestimmung der Zyklotronfrequenz mit einer relativen Unsicherheit von nur 10E-11 durch die Verwendung von verschiedenen Phasendetektionstechniken muss demonstriert werden; (v) als letztes muss das Massenverhältnis von zwei Ionenspezies mit genau bekannten Massen, z.B. 187Re und 187Os, mit einer relativen Unsicherheit von 10E-11 korrekt bestimmt werden. Die Realisierung der beiden Teilprojekte wird helfen, das Endziel zu erreichen, nämlich die Bestimmung des Q-Werts des Elektroneneinfangs in 163Ho mit einer Ungenauigkeit von wenigen eV.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2202: Neutrino Mass Determination by Electron Capture in Holmium-163 (ECHo)
• Mitverantwortlich: Dr. Sergey Eliseev