German Title: Massenspektroskopie der nächsten Generation für exotische Isotope und Isomere

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Abstract

This cumulative dissertation comprises ISOLTRAP's transition from the well-established Penning-trap mass spectrometry (PTMS) technique, ToF-ICR, to the next-generation PTMS technique, called PI-ICR. First, the highest precision ever achieved at the ISOLTRAP experiment using ToF-ICR allowed for a reduction of the Q_EC-value uncertainty of the 21Na → 21Ne and 23Mg → 23Na electron-capture decays by a factor of five compared to their literature values. Within these findings, the most precise Ft-values and, in the case of 21Na → 21Ne, a new V_ud-element value of the CKM quark-mixing matrix were derived and found to agree with the standard model of particle physics. Second, ISOLTRAP's first publication using PI-ICR demonstrated a supreme relative mass precision of δm/m = 1.4×10^(–9) in only 4 hours of experiment time. The result reduced the uncertainty on the Q_EC-value of the 131Cs → 131Xe decay by a factor of 25 and consequently precluded the decay as a possible candidate for a direct neutrino-mass determination. Third, ultra-high mass resolving powers exceeding 10^6 using PI-ICR allowed for the first spatial resolution of isomeric states in neutron-rich cadmium isotopes. Thus, this publication presented the first experimental data describing the N = 82 neutron-shell closure below the proton-magic Z = 50 while implying a drastic weakening of the N = 82 shell. Furthermore, these measurements allowed for sophisticated comparison with state-of-the-art nuclear-theoretical models.

Translation of abstract (German)

Diese kumulative Dissertation beschreibt ISOLTRAP’s Übergang von der Standardmethode in Penningfallen-Massenspektrometrie (PFMS) ToF-ICR zur PFMS der nächsten Generation mittels PI-ICR. Erstens erlaubte die höchste je an ISOLTRAP erreichte Präzision mittels ToF-ICR eine Reduzierung der Q_EC-Wert-Unsicherheit der 21Na → 21Ne und 23Mg → 23Na Elektroneneinfangszerfälle um einen Faktor fünf im Vergleich zu ihren Literaturwerten. Mit diesen Werten konnten höchst präzise Ft-Werte und, im Falle von 21Na → 21Ne, ein neues V_ud-Matrixelement der CKM-Quarkmischungsmatrix bestimmt werden, welche mit der Vorhersage im Rahmen des Standardmodells übereinstimmen. Zweitens demonstrierte ISOLTRAP’s erste Publikation mit PI-ICR höchste relative Massenpräzision von 1.4×10^(–9) in lediglich vier Stunden Messzeit. Das Ergebnis reduzierte die Q_EC-Wert-Unsicherheit des 131Cs → 131Xe Zerfalls um einen Faktor 25 und schließt ihn als möglichen Kandidaten für eine direkte Neutrinomassenbestimmung aus. Drittens erlaubte eine ultrahohe Massenauflösung oberhalb 10^6 mittels PI-ICR die erste örtliche Auflösung metastabiler Zustände in neutronenreichen Cadmiumisotopen. Daraus resultierend präsentierte diese Veröffentlichung die ersten experimentellen Daten, welche den N = 82 Neutronenabschluss unterhalb der magischen Protonenschale bei Z = 50 beschreibt und eine drastische Schwächung der N = 82 Schale impliziert. Zudem erlaubten diese Messungen Vergleiche der modernsten kerntheoretischen Modelle.