QED besteht ausgefeilten Test

  • 05. July 2011

Theorie in starken Feldern mit bislang unerreichter Präzision bestätigt

Obwohl die Quantenelektrodynamik zu den am genauesten überprüften Theorien zählt, vermuten viele Physiker, dass sie bei sehr starken elektrischen Feldern versagt. Doch bei welchen Feldstärken tritt das ein? Eine Forschergruppe des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg bestätigte gemeinsam mit Kollegen von der Universität Mainz und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung die QED mit bislang unerreichter Genauigkeit. Ihre Methode eignet sich zudem, grundlegende Größen wie die Masse von Elektronen oder die Größe von Atomkernen zu messen.

Die drei Fallen sind in eine Apparatur integriert. Im linken Teil befindet sich die Erzeugungsfalle, in der Mitte die Analysefalle und rechts die Präzisionsfalle. Die gesamte Apparatur ist 18 Zentimeter lang. Die Grafik veranschaulicht das Silizium-Ion, das nur noch von einem Elektron umkreist wird, in der Präzisionsfall

Abb.: Die Grafik zeigt das Silizium-Ion, das nur noch von einem Elektron umkreist wird, in der Präzisionsfalle. (Bild: MPI für Kernphysik)

Um die Quantenelektrodynamik in einem möglichst starken elektrischen Feld zu testen, haben die Forscher um Klaus Blaum vom Max-Planck-Instituts für Kernphysik (MPI-K) einen besonderen Ort ausgewählt: das Innere eines Silizium-Atoms. Sie entfernten dazu alle bis auf das letzte Elektron und erhielten so ein wasserstoffähnliches Ion, in dem am Ort des verbleibenden Elektrons eine Feldstärke von etwa 3 · 1013 Volt pro Zentimeter herrscht. Das zählt zu den höchsten im Labor erreichbaren Werten.

Die Struktur dieses Ions hat die MPI-K-Theoretikergruppe um Christoph Keitel im Rahmen der QED extrem genau berechnet. Damit stellt es die ideale Umgebung für einen Test der Theorie unter extremen Bedingungen dar. In einer Präzisionsfalle sortierten die Experimentatoren zunächst alle unerwünschten Spezies aus und senkten anschließen das elektrische Feld so weit, bis alle außer einem einzigen Ion aus der Falle entkamen. Dieses letzte bildet das Testteilchen für die QED.

Zunächst stellte das Team um Sven Sturm die Ausrichtung des Elektronenspins fest, dann ermittelten sie die beiden Bewegungen, die das Ion um die Magnetfeldlinien ausführt: eine Kreisbewegung (Zyklotronfrequenz) und eine Kreiselbewegung der Spin-Achse (Larmor-Frequenz).

Aus diesen beiden Frequenzen berechneten Sturm und Kollegen den sogenannten g- oder auch Landé-Faktor, die Testgröße für die QED, welche einen bestimmten Wert vorhersagt. Das Experiment ergab einen Wert von g = 1,995.348.958.7, der mit dem theoretisch erwarteten Wert innerhalb der Fehlergrenze übereinstimmt. Das ist die bisher mit Abstand genaueste Messung des g-Faktors des gebundenen Elektrons und damit der aussagekräftigste Test der Quantenelektrodynamik in starken Feldern.

Nach dieser Messung ist der experimentelle Wert jetzt mit noch größerer Genauigkeit bekannt als der theoretische. Deshalb berechnet nun die Gruppe um Christoph Keitel und Zoltan Harman den g-Faktor noch genauer. Gleichzeitig will Blaums Gruppe die Messgenauigkeit noch einmal um das Zehnfache erhöhen. Auch Experimente mit noch schwereren Ionen und deshalb noch größeren Feldstärken sind geplant. Damit lassen sich auch weitere wichtige atomare Größen mit bislang unerreichter Präzision bestimmen. Hierzu zählen die Elektronenmasse und die Größe der Atomkerne. So ermittelten die Heidelberger Physiker mit ihrem Experiment den Radius des Silizium-Atomkerns zu 3,18 Femtometer und bestätigten damit den derzeitigen Standardwert.

MPG / OD

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