Quantenelektrodynamik 100-mal genauer getestet als je zuvor

Mit einem neu entwickelten Verfahren haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg den sehr geringen Unterschied in den magnetischen Eigenschaften zweier Isotope hochgeladenen Neons in einer Ionenfalle mit bisher unerreichter Genauigkeit gemessen. Der Vergleich mit ebenso hochpräzisen theoretischen Berechnungen dieser Differenz ermöglicht einen Test der Quantenelektrodynamik (QED) auf Rekordniveau. Die Übereinstimmung der Ergebnisse ist eine eindrucksvolle Bestätigung des Standardmodells der Physik, das Rückschlüsse auf die Eigenschaften von Kernen zulässt und Grenzen für neue Physik und dunkle Materie setzt.

Elektronen sind einige der grundlegendsten Bausteine ​​der Materie, die wir kennen. Sie zeichnen sich durch einige sehr charakteristische Eigenschaften aus, wie ihre negative Ladung und das Vorhandensein eines ganz bestimmten Eigendrehimpulses, auch Spin genannt. Als geladenes Teilchen mit Spin besitzt jedes Elektron ein magnetisches Moment, das sich in einem Magnetfeld ähnlich einer Kompassnadel ausrichtet. Die Stärke dieses magnetischen Moments, angegeben durch den sogenannten g-Faktor, lässt sich mit außerordentlicher Genauigkeit durch die Quantenelektrodynamik vorhersagen. Diese Berechnung stimmt mit dem experimentell gemessenen g-Faktor auf 12 Stellen genau überein, eine der bisher genauesten Übereinstimmungen von Theorie und Experiment in der Physik. Das magnetische Moment des Elektrons ändert sich jedoch, sobald es kein „freies“, also von anderen Einflüssen unbeeinflusstes Teilchen mehr ist, sondern beispielsweise an einen Atomkern gebunden ist. Die geringfügigen Änderungen des g-Faktors lassen sich mit Hilfe der QED berechnen, die die Wechselwirkung zwischen Elektron und Kern als Austausch von Photonen beschreibt. Hochpräzise Messungen erlauben einen sensitiven Test dieser Theorie.

„Mit unserer Arbeit ist es uns nun gelungen, diese QED-Vorhersagen mit bisher unerreichter Auflösung und teilweise erstmals zu untersuchen“, berichtet Gruppenleiter Sven Sturm. „Dazu haben wir uns den Unterschied im g-Faktor zweier Isotope hochgeladener Neon-Ionen angesehen, die nur ein einziges Elektron besitzen.“ Diese ähneln Wasserstoff, haben jedoch eine 10-mal höhere Kernladung, wodurch die QED-Effekte verstärkt werden. Isotope unterscheiden sich bei gleicher Kernladung nur in der Anzahl der Neutronen im Kern. Untersucht wurden 20Ne9+ und 22Ne9+ mit 10 bzw. 12 Neutronen.

Das ALPHATRAP-Experiment am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg stellt eine speziell konstruierte Penning-Falle bereit, um einzelne Ionen in einem starken Magnetfeld von 4 Tesla in einem nahezu perfekten Vakuum zu speichern. Ziel der Messung ist es, die Energie zu bestimmen, die benötigt wird, um die Orientierung der „Kompassnadel“ (Spin) im Magnetfeld umzudrehen. Dazu wird die genaue Frequenz der dafür benötigten Mikrowellenanregung gesucht. Diese Frequenz hängt jedoch auch von der genauen Größe des Magnetfelds ab. Um dies zu bestimmen, nutzen die Forscher die Bewegung von Ionen in der Penning-Falle, die ebenfalls vom Magnetfeld abhängt.

Trotz der sehr guten zeitlichen Stabilität des hier verwendeten supraleitenden Magneten begrenzen unvermeidbare winzige Schwankungen des Magnetfelds bisherige Messungen auf etwa 11 Stellen Genauigkeit.

Die Idee der neuen Methode ist es, die beiden zu vergleichenden Ionen 20Ne9+ und 22Ne9+ gleichzeitig im selben Magnetfeld in einer gekoppelten Bewegung zu speichern. Bei einer solchen Bewegung rotieren die beiden Ionen immer gegenläufig auf einer gemeinsamen Kreisbahn mit einem Radius von nur 200 Mikrometern“, erklärt Fabian Heiße, Postdoc am ALPHATRAP-Experiment.

Dadurch wirken sich die Schwankungen des Magnetfeldes praktisch identisch auf beide Isotope aus, es gibt also keinen Einfluss auf die Differenz der gesuchten Energien. Kombiniert mit dem gemessenen Magnetfeld konnten die Forscher die Differenz der g-Faktoren beider Isotope mit einer Rekordgenauigkeit von 13 Stellen bestimmen, eine Verbesserung um den Faktor 100 gegenüber früheren Messungen und damit den genauesten Vergleich von zwei g -Faktoren weltweit. Die dabei erreichte Auflösung lässt sich wie folgt veranschaulichen: Hätten die Forscher statt des g-Faktors Deutschlands höchsten Berg, die Zugspitze, so genau gemessen, könnten sie einzelne zusätzliche Atome auf dem Gipfel an der Höhe von erkennen der Berg.

Die theoretischen Berechnungen wurden mit ähnlicher Genauigkeit in der Abteilung von Christoph Keitel am MPIK durchgeführt. „Im Vergleich mit den neuen experimentellen Werten haben wir bestätigt, dass das Elektron tatsächlich über den Austausch von Photonen mit dem Atomkern wechselwirkt, wie von der QED vorhergesagt“, erklärt Gruppenleiter Zoltán Harman. Dies wurde nun durch die Differenzmessungen an den beiden Neon-Isotopen erstmals gelöst und erfolgreich getestet. Unter der Annahme, dass die QED-Ergebnisse bekannt sind, erlaubt die Studie alternativ, die Kernradien der Isotope um den Faktor 10 genauer als bisher zu bestimmen.

„Umgekehrt ermöglicht uns die Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen von Theorie und Experiment, neue Physik jenseits des bekannten Standardmodells einzuschränken, wie etwa die Stärke der Wechselwirkung des Ions mit dunkler Materie“, sagt Postdoc Vincent Debierre.

„Die hier vorgestellte Methode könnte in Zukunft eine Reihe neuartiger und spannender Experimente ermöglichen, etwa den direkten Vergleich von Materie und Antimaterie oder die ultrapräzise Bestimmung von Naturkonstanten“, sagt Erstautor Dr. Tim Sailer.