Penning-Fallen-Massenmessungen des Deuterons und des HD+-Molekül-Ions

Die Masse des Deuterons sei um 0,1 milliardstel Prozent geringer als der in der Fachliteratur hinterlegte Wert! Mehr als 100 Jahre nach Entdeckung der Atomkerne ist noch immer unklar, wie schwer einzelne Exemplare sind. Ein exzellenter „Update“ gelang dem Forscherteam um Sascha Rau vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.

Quelle Bild: Max-Planck Institut für Kernphysik

Die Massen der leichtesten Atomkerne und die Elektronenmasse sind miteinander verknüpft, und ihre Werte beeinflussen die Beobachtungen in der Atomphysik, Molekularphysik und Neutrinophysik sowie in der Metrologie. Die genauesten Werte für diese fundamentalen Parameter stammen aus der Penning-Fallen-Massenspektrometrie, die relative Massenunsicherheiten in der Größenordnung von 10E(-11) erreicht. Redundanzprüfungen anhand von Daten aus verschiedenen Experimenten zeigen jedoch erhebliche Inkonsistenzen bei den Massen des Protons, des Deuterons und des Helions (dem Kern von Helium-3), was darauf hindeutet, dass die Unsicherheit dieser Werte möglicherweise unterschätzt wurde.

In dem Natureartikel (Vol 585 | 3 September 2020) präsentieren die Forscher Ergebnisse aus absoluten Massenmessungen des Deuterons und des HD+-Molekül-Ions unter Verwendung von 12C als Massenreferenz. Deren Wert für die Deuteronmasse, 2,013553212535(17) atomare Masseneinheiten, hat eine um den Faktor 2,4 bessere Genauigkeit als der CODATA-Wert und unterscheidet sich von diesem um 4,8 Standardabweichungen. Mit einer relativen Unsicherheit von acht Teilen pro Billion ist dies der präziseste direkt in atomaren Masseneinheiten gemessene Massenwert. Darüber hinaus ermöglicht die Messung der Wissenschaftler, die Bestimmung der Masse des HD+-Molekül-Ions, 3,021378241561(61) atomare Masseneinheiten, nicht nur eine strenge Konsistenzprüfung deren Ergebnisse für die Massen des Deuterons und des Protons, sondern stellt auch eine zusätzliche Verbindung für die Massen von Tritium und Helium-3 zur atomaren Masseneinheit her. In Kombination mit einer kürzlich durchgeführten Messung des Massenverhältnisses von Deuteron zu Proton kann die Unsicherheit des Referenzwertes der Protonenmasse um den Faktor drei reduziert werden.

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