Unsichtbare Heliumatome bieten einen äußerst empfindlichen Test der Fundamentaltheorie

Physiker der Australian National University haben die bisher empfindlichste Methode zur Messung der potenziellen Energie eines Atoms entwickelt (innerhalb eines Hundertstels eines Dezillionstels Joule – oder 10–35 Joule) und damit eine der am besten getesteten Theorien validiert in der Physik – Quantenelektrodynamik (QED).

Die Forschung, veröffentlicht diese Woche in Wissenschaft beruht darauf, die Farbe von Laserlicht zu finden, wo ein Heliumatom unsichtbar ist, und ist eine unabhängige Bestätigung früherer Methoden zum Testen von QED, bei denen Übergänge von einem atomaren Energiezustand zu einem anderen gemessen wurden.

„Diese Unsichtbarkeit gilt nur für ein bestimmtes Atom und eine bestimmte Lichtfarbe – also konnte sie nicht verwendet werden, um einen Tarnumhang herzustellen, den Harry Potter verwenden würde, um dunkle Ecken in Hogwarts zu untersuchen“, sagte Hauptautor Bryce Henson, ein Ph .D. Student an der ANU Research School of Physics.

„Aber wir konnten einige dunkle Ecken der QED-Theorie untersuchen.“

„Wir hatten gehofft, QED abzufangen, weil es früher einige Diskrepanzen zwischen Theorie und Experimenten gegeben hat, aber es hat mit einer ziemlich guten Note bestanden.“

Die Quantenelektrodynamik oder QED wurde Ende der 1940er Jahre entwickelt und beschreibt, wie Licht und Materie interagieren, wobei sowohl die Quantenmechanik als auch Einsteins spezielle Relativitätstheorie auf eine Weise einbezogen werden, die seit fast achtzig Jahren erfolgreich ist.

Hinweise darauf, dass die QED-Theorie verbessert werden muss, ergaben sich jedoch aus Diskrepanzen bei Messungen der Größe des Protons, die 2019 größtenteils behoben wurden.

Um diese Zeit ANU Ph.D. Der Gelehrte Bryce Henson bemerkte kleine Oszillationen in einem sehr empfindlichen Experiment, das er an einer ultrakalten Atomwolke durchführte, die als Bose-Einstein-Kondensat bekannt ist.

Er maß die Frequenz der Schwingungen mit Rekordpräzisionwobei festgestellt wurde, dass Wechselwirkungen zwischen den Atomen und dem Laserlicht die Frequenz veränderten, wenn die Laserfarbe variiert wurde.

Er erkannte, dass dieser Effekt genutzt werden konnte, um sehr genau die genaue Farbe zu bestimmen, bei der die Atome überhaupt nicht mit dem Laser interagierten und die Schwingung unverändert blieb, mit anderen Worten praktisch unsichtbar wurde.

Mit der Kombination aus einem extrem hochauflösenden Laser und Atomen, die auf 80 Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (80 Nanokelvin) gekühlt wurden, erreichte das Team bei seinen Energiemessungen eine Empfindlichkeit, die 5 Größenordnungen geringer war als die Energie der Atome, etwa 10 – 35 Joule oder eine Temperaturdifferenz von etwa 10-13 Grad Kelvin.

„Das ist so klein, dass ich mir kein Phänomen vorstellen kann, mit dem ich es vergleichen könnte – es ist so weit vom Ende der Skala entfernt“, sagte Herr Henson.

Mit diesen Messungen konnte das Team sehr genaue Werte für die Unsichtbarkeitsfarbe von Helium ableiten. Um ihre Ergebnisse mit der theoretischen Vorhersage für QED zu vergleichen, wandten sie sich an Professor Li-Yan Tang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Wuhan und Professor Gordon Drake von der University of Windsor in Kanada.

Frühere Berechnungen mit QED hatten weniger Unsicherheit als die Experimente, aber mit der neuen experimentellen Technik, die die Genauigkeit um den Faktor 20 verbesserte, mussten sich die Theoretiker der Herausforderung stellen und ihre Berechnungen verbessern.

Bei dieser Suche waren sie mehr als erfolgreich – sie verbesserten ihre Unsicherheit auf nur 1/40 der letzten experimentellen Unsicherheit und sonderten den QED-Beitrag zur Unsichtbarkeitsfrequenz des Atoms heraus, der 30-mal größer war als die Unsicherheit des Experiments. Der theoretische Wert war nur um das 1,7-fache der experimentellen Unsicherheit geringfügig niedriger als der experimentelle Wert.

Der Leiter der internationalen Zusammenarbeit, Professor Ken Baldwin von der ANU Research School of Physics, sagte, dass Verbesserungen des Experiments dazu beitragen könnten, die Diskrepanz aufzulösen, aber auch ein außergewöhnliches Werkzeug verfeinern würden, das QED und andere Theorien erhellen könnte.

„Neue Werkzeuge für Präzisionsmessungen führen oft zu großen Veränderungen im theoretischen Verständnis“, sagte Professor Baldwin.