Experiment zeigt Grenzen der QED

  • 16. May 2017

Messung an schweren Ionen weicht stark von Vorhersagen ab.

An der Oberfläche von Atom­kernen des Elementes Wismut existieren Magnet­felder in einer Stärke wie sonst nur an der Oberfläche gewal­tiger Neutronen­sterne. Das Verhalten von Elektronen in diesen Feldern untersucht eine Forschungs­gruppe unter Feder­führung der Tech­nischen Uni­versität Darmstadt. Erst vor kurzem gelang ihr ein Durchbruch mit der erst­maligen Beo­bachtung eines speziellen Übergangs in lithium­artigen Ionen dieses Elementes. Jetzt konnte sie diesen Übergang am GSI Helmholtz­zentrum für Schwerionen­forschung in Darmstadt so präzise vermessen, dass erstmals ein aussage­kräftiger Test der zugrunde­liegenden Theorie möglich wurde. Die Diskrepanz zwischen Theorie und Expe­riment ist eklatant. Sie weist auf einen Fehler im Verständnis des Wechsel­spiels des Elektrons mit der kompli­zierten inneren Struktur des Kerns hin.

Abb.: Künstlerische Darstellung eines Elektrons in Kernnähe im extrem starken magnetischen Feld des Wismut-Atomkerns. (Bild: W. Geithner, GSI)

Abb.: Künstlerische Darstellung eines Elektrons in Kernnähe im extrem starken magnetischen Feld des Wismut-Atomkerns. (Bild: W. Geithner, GSI)

Einfache Atome, die nur aus einem Kern und einem oder wenigen Elektronen bestehen, sind ideale Systeme, um unser Verständnis der grund­legenden physika­lischen Kräfte zu testen. Die Theorie der Atomhülle, basierend auf der Quanten­elektro­dynamik (QED), ist dabei wesentlich besser verstanden als der Aufbau des Atom­kerns. Die QED erlaubt es, die Eigen­schaften der Elek­tronen und die Zustände, in denen das Atom existieren kann, mit hoher Genauig­keit zu berechnen. Diese Berech­nungen werden dann in Präzisions­messungen überprüft. Bislang hat die QED alle diese Tests mit Bravour gemeistert.

Bei der Verwen­dung schwerer Kerne sind die Forscher vor allen Dingen an dem Einfluss der gigan­tischen elek­trischen und magne­tischen Feld­stärken auf die darin gebundenen Elektronen interes­siert. Unter diesen extremen Bedin­gungen gibt es bislang nur sehr wenige experi­mentelle Über­prüfungen der Theorie, und sie weisen bei weitem nicht die hohen Genauig­keiten auf, die mit leichten Kernen erreicht wurden. Die starken Felder machen die theo­retischen Berech­nungen viel kompli­zierter. Hinzu kommt, dass die komplexe innere Struktur der Kerne nicht hin­reichend genau bekannt ist, aber großen Einfluss auf die Atom­hülle hat. Um diese Schwierig­keit zu umgehen, berechnen die Theoretiker bestimmte Dif­ferenzen für Systeme mit unter­schiedlicher Elektronen­zahl, aber iden­tischem Atomkern. Diese spezi­fischen Dif­ferenzen sind so beschaffen, dass sich die Beiträge der Kern­struktur nahezu exakt eli­minieren sollten und dienten den Wissen­schaftlern als Ausgangs­punkt für eine genauere Überprüfung der QED-Berech­nungen. Statt­dessen scheinen die aktuellen Ergebnisse aber eher das Konzept der spezi­fischen Differenz in Frage zu stellen.

In seinem Experiment hat das Team zunächst wasser­stoff- und lithium­artige Wismut­ionen erzeugt. Diese Ionen werden in den Experimentier­speicherring ESR an der GSI-Beschleuniger­anlage einge­schossen, der einen Umfang von 108 Metern besitzt und zwei gerade Strecken hat, in denen Expe­rimente durchgeführt werden können. In der einen wird dem Ionen­strahl ein Elektronen­strahl defi­nierter Energie überlagert. Nach einigen Sekunden gleicht sich die Geschwindig­keit der Ionen an die Geschwindig­keit der Elektronen an. In diesem Abschnitt wird dem Ionen­strahl zusätzlich ein gepulster Laser­strahl überlagert. Die Wellen­länge des Lasers wird dann in winzigen Schritten geändert.

Wenn der Laser exakt die Wellen­länge des zu unter­suchenden Übergangs des Ions erreicht, absor­bieren die Ionen Photonen. So angeregte Ionen geben diese Energie nach kurzer Zeit wieder ab und senden dabei wiederum eine sehr kleine Zahl Photonen aus. Der effi­ziente Nachweis dieser kleinen Zahl von Photonen gelang mit einem speziellen, an der Uni­versität Münster ent­wickelten Nachweis­system. Aufgrund der hohen Geschwindig­keit ist die Wellen­länge des Lasers für die Ionen um etwa einen Faktor 2,4 gestaucht oder gestreckt, je nachdem aus welcher Richtung der Laser einge­strahlt wird. Dieser Faktor hängt von der Beschleunigungs­spannung der Elektronen ab. Zur präzisen Messung dieser Hoch­spannung von etwa 214.000 Volt mit einer Genauig­keit von etwa einem Volt wurde ein an der PTB Braun­schweig entwickelter Hoch­spannungs­teiler eingesetzt. Wissen­schaftler der TU Darmstadt waren unter anderem für die Daten­aufnahme, die Daten­analyse und die zeitliche Synchro­nisation der nur wenige Nano­sekunden währenden Laser­pulse mit dem Umlauf der Ionen im Speicher­ring zuständig.

Die gemessene spezi­fische Differenz der Übergangs­wellen­längen in wasser­stoff­­artigem und lithium­artigem Wismut kann auch nach Berück­sichtigung aller bekannten systema­tischen Fehler­quellen nicht mit der theo­retischen Vorher­sage in Einklang gebracht werden. Die Ursache für diese Abweichung ist derzeit noch unbekannt und soll in weiteren Messungen an anderen Isotopen des Wismuts überprüft werden. Diese Isotope sind aller­dings radio­aktiv und müssen daher vor dem Einschuss in den Speicher­ring pro­duziert werden. Diese Möglich­keiten sind am GSI Helmholtz­zentrum verfügbar. Am neuen Beschleuniger­zentrum FAIR, dessen Aufbau in Darmstadt in Kürze beginnen wird, werden sich viel­fältige neue Möglich­keiten zur weiteren Unter­suchung dieser Beo­bachtung ergeben.

TU Darmstadt / PTB / GSI / JOL

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