Bestimmung der Isomerenergie von 229Th mit dem hochauflösenden Mikrokalorimeter-Array maXs30

Der Isomerzustand des Thoriumisotops 229Th ist der niedrigste bekannte angeregte Kernzustand und ist daher ein vielversprechender Kandidat für Präzisionstests der zeitlichen Konstanz von Naturkonstanten und für eine neue Generation von Zeitstandards. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Unsicherheit des experimentellen Werts der Isomerenergie weiter verbessert, um den zu durchsuchenden Wellenlängenbereich bei der lasergetriebenen Anregung aus dem Grundzustand zu reduzieren und die wegen der geringen Linienbreite des Zustands langwierige Suche zu beschleunigen. Hierfür wurde ein hochauflösendes Mikrokalorimeter-Array vom Typ maXs30 basierend auf metallischen magnetischen Kalorimetern (MMC) entworfen, im Reinraum hergestellt und zur hochaufgelösten Messung des Gammaspektrums von 229Th eingesetzt. Ein MMC besteht aus einem Teilchenabsorber und einem paramagnetischen Temperatursensor. Die Temperaturänderung durch die Absorption eines Photons im Absorber wird in eine Magnetisierungsänderung des Paramagneten umgewandelt und über ein SQUID-Magnetometer ausgelesen. Die Detektorkanäle des hier diskutierten Detektors besitzen eine exzellente Linearität, sowie Energieauflösungen von ∆E = 7,9 eV im Limes kleiner Energien und ∆E = 9,8 eV bei 60 keV, was dem derzeit weltweit besten Auflösungsvermögen von über 6000 entspricht. Das aufgenommene Gammaspektrum entsteht aus 229Th im angeregten Zustand, welches durch α-Zerfall einer chemisch gereinigten 233U-Quelle erzeugt wird. Aus dem Gesamtspektrum konnte die Isomerenergie konsistent auf drei Wegen bestimmt werden und lieferte ein Ergebnis von Eiso = (8,09 ± 0,13 (stat)+0,05 -0,14 (syst)) eV

Measurement of the Th 229 Isomer Energy with a Magnetic Microcalorimeter

We present a measurement of the low-energy (0--60$\,$keV) $\gamma$ ray spectrum produced in the $\alpha$-decay of $^{233}$U using a dedicated cryogenic magnetic micro-calorimeter. The energy resolution of $\sim$$10\,$eV, together with exceptional gain linearity, allow us to measure the energy of the low-lying isomeric state in $^{229}$Th using four complementary evaluation schemes. The most accurate scheme determines the $^{229}$Th isomer energy to be $8.10(17)\,$eV, corresponding to 153.1(37)$\,$nm, superseding in precision previous values based on $\gamma$ spectroscopy, and agreeing with a recent measurement based on internal conversion electrons. We also measure branching ratios of the relevant excited states to be $b_{29}=9.3(6)\%$ and $b_{42}=0.3(3)\%$.Comment: 5 pages, 5 figures + supplementar