Rekordmessung der Feinstrukturkonstanten

  • 13. April 2018

Standardmodell der Teilchenphysik mit doppeltem Atom­inter­fero­meter getestet.

Die Feinstrukturkonstante legt die Stärke der elektro­magne­tischen Wechsel­wirkung zwischen Elementar­ladungen fest. Mit Atom­inter­fero­metrie wurde sie jetzt auf zehn Nach­komma­stellen genau gemessen. Das ermög­licht neue Tests des Standard­modells der Teilchen­physik und liefert einen neuen atomaren Massen­standard. Holger Müller und seine Mit­arbeiter von der Univer­sity of Cali­fornia in Berkeley treiben die Möglich­keiten der Atom­inter­fero­metrie auf immer neue, unge­ahnte Höhen. So hatten sie im ver­gangenen Jahr die Schwer­kraft gemessen, die ein kleiner Hohl­zylinder auf durch ihn fallende Atome ausübt. Jetzt haben sie mit einem doppelten Atom­inter­fero­meter gemessen, wie sich die kine­tische Energie von Atomen durch den Rück­stoß ändert, den sie bei Absorp­tion oder Emission von Photonen erleiden. Daraus konnten sie die Fein­struktur­konstante mit bisher uner­reichter Genauig­keit bestimmen.

Atominterferometer

Abb.: Das Atominter­fero­meter mit vier Strahl­teilern (senk­rechte ge­strichelte Linien) und einem Materie­wellen­beschleu­niger (senk­rechter rosa Streifen) teilt die atomare Materie­welle in vier Teil­wellen und führt sie wieder zu­sammen. Aus dem Inter­ferenz­signal, das aus den Atom­inten­si­täten A bis D gebildet wird, lässt sich die Fein­struktur­konstante er­mitteln. |±n, ±N> bezeich­net die Photonen­impulse, die die Atome im je­weiligen Teil­strahl auf­ge­nommen haben. (Bild: R. H. Parker et al. / AAAS)

Im Interferometer fallen Cäsium-133-Atome durch mehrere gepulste Laser­strahlen, die wie vier Strahl­teiler wirken. Sie zer­legen die atomaren Wellen­pakete in zunächst zwei und dann vier Teil­wellen und ver­einigen diese nach einer bestimmten Weg­strecke wieder. Abhängig von den Ein­flüssen, denen die vier Teil­wellen auf ihren unter­schied­lichen Wegen aus­ge­setzt sind, kommt es bei ihrer paar­weisen Ver­eini­gung je nach dem Phasen­unter­schied der Teil­wellen zu kon­struk­tiver oder destruk­tiver Inter­ferenz. Die Ver­tei­lung der Atome auf die vier Aus­gänge des Inter­fero­meters ergibt das Inter­ferenz­signal.

Die vier Strahlteiler, die die Atome passieren, nutzen den Raman-Effekt. Sie bestehen jeweils aus zwei Laser­strahlen unter­schied­licher Frequenz, die einen Zehn-Photonen-Über­gang zwischen zwei atomaren Hyper­fein­niveaus treiben. Dabei beträgt die Wahr­schein­lich­keit für einen Über­gang fünfzig Prozent. Durch den Rück­stoß der Photonen ändert sich bei diesem Über­gang der Impuls der Atome erheb­lich. Zudem passieren sie nach dem zweiten Strahl­teiler einen „Materie­wellen­beschleu­niger“, der ihren Impuls um weitere vier­hundert Photonen­impulse ändert. Diese Maß­nahmen ver­größern die Empfind­lich­keit des Inter­fero­meters enorm.

Aus dem Interferenzsignal lassen sich die Phasen­diffe­renzen der Teil­wellen ermitteln. Diese Phasen­diffe­renzen hängen direkt von der Energie ab, die jeweils ein Photon bestimmter Frequenz durch Rück­stoß auf ein Cäsium­atom über­trägt. Daraus wiederum lässt sich das Ver­hältnis von Planck-Konstante und Atom­masse des Cäsiums bestimmen. Damit erhält man einen abso­luten atomaren Massen­standard, wie er für die Neu­defi­ni­tion des Kilo­gramms benötigt wird.

Feinstrukturkonstante

Abb.: Vergleich der aktuellen Messung der Fein­struktur­kon­stanten („This Work“) mit früheren Messungen: direkte atomare Messungen (grün), indirekte Bestim­mungen aus Messungen des anomalen magne­tischen Moments des Elektrons (rot; Bild: R. H. Parker et al. / AAAS)

Da die Rydberg-Konstante, die Lichtgeschwindigkeit und das Verhältnis von Atom- zu Elek­tronen­masse sehr genau bekannt sind, lässt sich daraus die Fein­struktur­konstante berechnen. Nachdem die Forscher sieben Monate lang Daten auf­ge­nommen hatten, erhielten sie für den Kehr­wert der Fein­struktur­konstanten den Wert 137,035999046(27). Das ist mehr als drei­mal so genau wie der Wert, den frühere Messungen ergeben hatten. Ähn­lich genau war eine indirekte Bestim­mung aus dem gemes­senen anomalen magne­tischen Moment des Elek­trons mittels der Quanten­elektro­dynamik.

Müller und seine Kollegen konnten aus ihrem neuen Wert einige weit­reichende Schlüsse ziehen. Zunächst berech­neten sie daraus das anomale magne­tische Moment des Elektrons mit Hilfe der QED. Dabei war der berechnete Wert um 10-12 größer als der bekannte hoch­genaue Mess­wert. Auf diese Weise wird es möglich, die Gültig­keit der QED-YRech­nungen zu über­prüfen. Zudem kann man nach Anzeichen für eine mögliche Sub­struktur des Elek­trons und hypo­the­tische neue Teil­chen Aus­schau halten. Ein Beispiel ist das dunkle Photon, das für die elektro­magne­tische Wechsel­wirkung der dunklen Materie ver­ant­wort­lich sein und eine Ruhe­masse besitzen soll.

Das dunkle Photon wird auch dafür verantwortlich gemacht, dass der gemes­sene Wert des ano­malen magne­tischen Moments des Myons von der Vor­her­sage des Standard­modells auf­fällig abweicht. Doch Müller und seine Kollegen glauben diese Erklä­rung auf Grund ihrer Ergeb­nisse aus­schließen zu können, da die Existenz von dunklen Photonen ein zu großes anomales magne­tisches Moment für das Elektron zur Folge hätte. Wie man sieht, mischt die Atom­inter­fero­metrie schon kräftig bei der Suche nach einer Physik jenseits des Standard­modells mit.

Rainer Scharf

RK

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