High-precision mass measurement of doubly magic $$^{208}$$Pb
Kathrin Kromer, Chunhai Lyu, Menno Door, P. Filianin, Zoltán Harman, Jost Herkenhoff, W. J. Huang, Christoph H. Keitel, Daniel Lange, Yu. N. Novikov, Christoph Schweiger, S. Eliseev, K. Blaum
Abstract
Abstract The absolute atomic mass of $$^{208}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mmultiscripts> <mml:mrow/> <mml:mrow/> <mml:mn>208</mml:mn> </mml:mmultiscripts> </mml:math> Pb has been determined with a fractional uncertainty of $$7\times 10^{-11}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>7</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>11</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> by measuring the cyclotron-frequency ratio R of $$^{208}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mmultiscripts> <mml:mrow/> <mml:mrow/> <mml:mn>208</mml:mn> </mml:mmultiscripts> </mml:math> Pb $$^{41+}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mmultiscripts> <mml:mrow/> <mml:mrow/> <mml:mrow> <mml:mn>41</mml:mn> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mmultiscripts> </mml:math> to $$^{132}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mmultiscripts> <mml:mrow/> <mml:mrow/> <mml:mn>132</mml:mn> </mml:mmultiscripts> </mml:math> Xe $$^{26+}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mmultiscripts> <mml:mrow/> <mml:mrow/> <mml:mrow> <mml:mn>26</mml:mn> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mmultiscripts> </mml:math> with the high-precision Penning-trap mass spectrometer Pentatrap and computing the binding energies $$E_{\text {Pb}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>E</mml:mi> <mml:mtext>Pb</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> and $$E_{\text {Xe}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>E</mml:mi> <mml:mtext>Xe</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> of the missing 41 and 26 atomic electrons, respectively, with the ab initio fully relativistic multi-configuration Dirac–Hartree–Fock (MCDHF) method. R has been measured with a relative precision of $$9\times 10^{-12}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>9</mml:mn> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>12</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> . $$E_{\text {Pb}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>E</mml:mi> <mml:mtext>Pb</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> and $$E_{\text {Xe}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>E</mml:mi> <mml:mtext>Xe</mml:mtext> </mml:msub> </mml:math> have been computed with an uncertainty of 9.1 eV and 2.1 eV, respectively, yielding $$207.976\,650\,571(14)$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>207.976</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mn>650</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mn>571</mml:mn> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>14</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> u ( $$\text {u}=9.314\,941\,024\,2(28)\times 10^{8}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mtext>u</mml:mtext> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>9.314</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mn>941</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mn>024</mml:mn> <mml:mspace/> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>28</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:msup> <mml:mn>10</mml:mn> <mml:mn>8</mml:mn> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> eV/c $$^2$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mmultiscripts> <mml:mrow/> <mml:mrow/> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mmultiscripts> </mml:math> ) for the $$^{208}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mmultiscripts> <mml:mrow/> <mml:mrow/> <mml:mn>208</mml:mn> </mml:mmultiscripts> </mml:math> Pb neutral atomic mass. This result agrees within $$1.2\sigma $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>1.2</mml:mn> <mml:mi>σ</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> with that from the Atomic-Mass Evaluation (AME) 2020, while improving the precision by almost two orders of magnitude. The new mass value directly improves the mass precision of 14 nuclides in the region of Z = 81–84 and is the most precise mass value with $$A>200$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>A</mml:mi> <mml:mo>></mml:mo> <mml:mn>200</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> . Thus, the measurement establishes a new region of reference mass values which can be used e.g. for precision mass determination of transuranium nuclides, including the superheavies.