Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

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