Der Ladungsradius des Kohlenstoff-13-Kerns beträgt etwa 2,46 Femtometer, bestimmt mit einer Unsicherheit von rund 2-3 x 10-3 fm, d. h. von etwa einem Tausendstel. Ein Femtometer ist ein billiardstel Meter. Das Verhältnis Femtometer zu Meter entspricht also dem eines winzigen Stecknadelkopfs zum gesamten Sonnensystem. Kohlenstoff-13 ist ideal für die Untersuchung von Atomkernen, da es sich aufgrund seiner Eigenschaften in einzigartiger Weise für Kernspektroskopie- und Traceranwendungen eignet.
Das Experiment wurde an der KOALA-Anlage (Kollineare Apparatur für Laserspektroskopie und agewandte Wissenschaften) der TU Darmstadt durchgeführt. Dort untersuchten die Wissenschaftler mit Lasern Kohlenstoffionen – Kohlenstoffatome, die mehrere ihrer Elektronen abgegeben haben – und maßen winzige Verschiebungen in dem von ihnen emittierten Licht. Anhand dieser Verschiebungen ermittelten sie, wie die positive Ladung im Kern verteilt ist. Dieser Ladungsradius beschreibt die räumliche Verteilung der elektrischen Ladung in Komposit-Partikeln wie Atomkernen und bietet ein Maß für deren Größe.
Zur Erzeugung des erforderlichen Ionenstrahls setzten die Forscher auf die Elektronenstrahl-Ionenquelle Dresden EBIS-A von DREEBIT. Dieses System kann hochgeladene Ionen von nahezu allen Elementen des Periodensystems erzeugen und liefert stabile Strahlen aus Protonen, Alphateilchen, Ionen sowie Molekülfragmenten. Für das Kohlenstoffexperiment lieferte es einen reinen und leistungsstarken Strahl aus Kohlenstoff-13-Ionen in genau dem richtigen Ladungszustand für die Laserspektroskopie.
Das nächste Ziel der Forscher ist die Anwendung ihrer Lasermethode mit der DREEBIT Elektronenstrahl-Ionenquelle auf Kohlenstoff-14, um dessen nuklearen Ladungsradius mit einer Genauigkeit zu messen, die mit ihren Ergebnissen für Kohlenstoff-13 vergleichbar ist. Da Kohlenstoff-14 im Gegensatz zum stabilen Kohlenstoff-13 radioaktiv und instabil ist, ist die Messung seines Ladungsradius schwieriger, aber wissenschaftlich wertvoll. Diese Messung würde das Wissen über die Kernstruktur von Kohlenstoff-14 im Vergleich zu früheren Messungen deutlich verbessern und gleichzeitig die Anwendbarkeit der Laserspektroskopietechnik auf radioaktive Isotope erweitern. Die Forscher möchten auf ihrem Erfolg mit Kohlenstoff-13 aufbauen und die nuklearen Präzisionsmessungen auf den radioaktiven Bereich ausweiten, mit wichtigen Auswirkungen auf die Kernstrukturtheorie und Grundlagenphysik.
„Wir sind stolz darauf, dass unsere Ionenquelle zu diesem bemerkenswerten wissenschaftlichen Durchbruch beigetragen hat“, betont Lars Großmann, Geschäftsführer der DREEBIT GmbH. „Es zeigt, wie unsere Technologien die Grundlagenforschung unterstützen, mit der wir – Atom für Atom – ein besseres Verständnis unseres Universums erlangen.“