Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD
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6 Kapitel 1. E<strong>in</strong>leitung<br />
igkeit <strong>in</strong>zwischen 10 −15 [26, 159] erreicht hat. Dabei ist nach Angaben der Betreiber immer<br />
noch Raum fr Verbesserungen, es werden bereits Genauigkeiten von 10 −18 fr die Zukunft <strong>in</strong><br />
Aussicht gestellt. Weitere Frequenzstandards mit e<strong>in</strong>zelnen <strong>Ionen</strong> werden am National Physics<br />
Laboratory (NPL) <strong>in</strong> London mit Y b + , am National Research Council (NRC) mit Ba + <strong>in</strong> Ottawa<br />
und am National Measurement Laboratory (NML) <strong>in</strong> Sidney [81] mit Y b + entwickelt oder<br />
betrieben. Auch an der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) <strong>in</strong> Braunschweig wird<br />
an diesem Problem gearbeitet [182]. Als Nebenprodukt dieser Untersuchungen wurden die Eigenschaften<br />
wie Lebensdauern, g-Faktoren, Hyperfe<strong>in</strong>aufspaltungen usw. der entsprechenden<br />
<strong>Ionen</strong> ausgiebig studiert. Am NPL hat man im Rahmen dieser Forschungen erstmals e<strong>in</strong>en Oktupolbergang<br />
detektieren knnen [166]. Mittlerweile kann man auch mit kalten Atomen z.B. <strong>in</strong><br />
Atomic Founta<strong>in</strong>s [171] Frequenzstandards mit vergleichbarer (oder besserer) Genauigkeit erzielen.<br />
<strong>Ionen</strong>fallen knnen aber ganz allgeme<strong>in</strong> gut bei der Bestimmung fundamentaler Konstanten<br />
e<strong>in</strong>gesetzt werden. Das vermutlich bekannteste und vielleicht e<strong>in</strong>drucksvollste Beispiel fr die<br />
Leistungsfhigkeit von Experimenten <strong>in</strong> <strong>Ionen</strong>fallen ist das g-2-Experiment von Dehmelt [58].<br />
Dort wurde der g-Faktor des freien Elektrons an e<strong>in</strong>em e<strong>in</strong>zelnen Teilchen <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Penn<strong>in</strong>gfalle<br />
mit e<strong>in</strong>er Genauigkeit von ca. 10 −12 gemessen. Damit ist dieser g-Faktor e<strong>in</strong>e der am prziseten<br />
bekannten Gren <strong>in</strong> der Physik berhaupt. Dieses Experiment stellt e<strong>in</strong>en przisen Test der Quantenelektrodynamik<br />
(QED) dar. Die QED ist zur Zeit die Theorie <strong>in</strong> der Physik mit den besten<br />
Vorhersagen berhaupt, wenn man die bere<strong>in</strong>stimmung zwischen Theorie und Experiment als<br />
Ma nimmt. Aus der g-Faktor-Messung kann man, wenn man die Theorie als korrekt voraussetzt,<br />
den genauesten Wert fr die Fe<strong>in</strong>strukturkonstante α erhalten. Durch die heutzutage erreichbaren<br />
Genauigkeiten bei der Bestimmung von Naturkonstanten hat dieses Feld <strong>in</strong> letzter Zeit wieder<br />
grere Aufmerksamkeit erlangt. Dabei ist die Zielsetzung, nun zu berprfen, ob die Konstanten<br />
tatschlich konstant s<strong>in</strong>d oder sich zeitlich - wenn auch <strong>in</strong> sehr ger<strong>in</strong>gem Mae - ndern. Fr α gibt<br />
es e<strong>in</strong>e Abschtzung ber die Vernderungsrate von ˙α α = +2, 6 ± 5, 2 × 10−16 [196]. Fhrt man nun<br />
e<strong>in</strong>e Bestimmung zu verschiedenen Zeiten durch, so kann man Aussagen ber die zeitliche Entwicklung<br />
machen. Es ist bei der Messung von Naturkonstanten immer wichtig, verschiedene,<br />
unabhngige Methoden zur Bestimmung der selben Konstanten zu haben. E<strong>in</strong>e andere Methode<br />
zur Bestimmung der Fe<strong>in</strong>strukturkonstanten ist z.B. die Messung der Fe<strong>in</strong>strukturaufspaltung<br />
von Helium, die von Mar<strong>in</strong> et al. [135], sowie krzlich von George et al. [85] durchgefhrt wurde.<br />
Bei George et al. wurde α mit e<strong>in</strong>er relativen Genauigkeit von 2, 3×10 −8 bestimmt im Vergleich<br />
zu 3, 8 × 10 −9 aus Dehmelts Messung.<br />
E<strong>in</strong> weiteres Gebiet, auf dem <strong>Ionen</strong>fallen e<strong>in</strong>gesetzt werden knnen, s<strong>in</strong>d Experimente zur<br />
Parittsverletzung (engl. parity non conservation PNC) der schwachen Wechselwirkung. In den<br />
1970er Jahren haben Bouchiat et al. [38] vorgeschlagen, die Parittsverletzung mit Hilfe atomphysikalischer<br />
Methoden zu untersuchen. Die berprfung des Standardmodells kann dabei <strong>in</strong><br />
Tabletop-Experimenten bei niedrigen Energien vorgenommen werden im Gegensatz zu den Experimenten<br />
der Hochenergiephysik, die an teuren Beschleunigern bei hohen Energien erfolgen.<br />
Es gibt hierzu auch bereits e<strong>in</strong> solches Experiment mit <strong>Ionen</strong>fallen <strong>in</strong> Seattle von Fortson [83],<br />
der PNC auf dem bergang 6S 1/2 − 5D 3/2 <strong>in</strong> Ba + untersucht. Weitere Experimente anderer<br />
Gruppen s<strong>in</strong>d bereits <strong>in</strong> Planung. Wie man an den Experimenten mit Cs-Atomen, die von den<br />
Bouchiats [94] und Wieman [23] durchgefhrt wurden, sehen kann, ist dies jedoch e<strong>in</strong> langfristiges<br />
Projekt, da e<strong>in</strong>e immense Zahl von systematischen Fehlerquellen untersucht werden mu.<br />
Geeignete <strong>Ionen</strong> fr derartige Untersuchungen s<strong>in</strong>d solche mit hohem Z, weswegen Elemente<br />
wie Barium, Strontium, Radium oder Ytterbium <strong>in</strong> Frage kommen. Es ist aber auch vorteilhaft,<br />
verschiedene Isotope zur Verfgung zu haben, da man so Unsicherheiten <strong>in</strong> den Atomstrukturberechungen<br />
elim<strong>in</strong>ieren kann. Da man die entsprechenden <strong>Ionen</strong> theoretisch sehr gut verstehen<br />
mu, um z.B. bergangsraten fr verschiedene, elektromagnetische bergnge zu berechnen, wird