Quantenelektrodynamik auf dem Prüfstand

Messung des g-Faktors des Elektrons in wasserstoffartigem Zinn bestätigt das Standardmodell der Teilchenphysik unter extrem hohen elektrischen Feldstärken.

Die Quantenelektrodynamik ist die am besten getestete Theorie der gesamten Physik. Sie beschreibt alle elektrischen und magnetischen Wechselwirkungen von Licht und Materie. Wissenschaftler:innen des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg (MPIK) haben jetzt mit Präzisionsmessungen an ihrem Experiment Alphatrap die magnetischen Eigenschaften von Elektronen untersucht, die an hochgradig ionisierte Zinn-Atome gebunden waren. Solche Tests ermöglichen Einblicke in das Verhalten von Teilchen unter extremen Feldstärken. Außerdem dienen sie als Plattform für die Suche nach neuer Physik.

Wie die anderen geladenen Elementarteilchen besitzt auch das Elektron ein magnetisches Moment. Dessen genauer Betrag ist einer der am präzisesten bekannten Messwerte und befindet sich in hervorragendem Einklang mit den theoretischen Vorhersagen der Quantenelektrodynamik. Theorie und Experiment sind zu mehr als zehn Nachkommastellen in Einklang. Allerdings gelten diese Werte nur für das „freie“ Elektron, das keinen externen Feldern unterliegt. Gerade bei sehr starken Feldern, wie sie in unmittelbarer Nähe von Atomkernen vorliegen, könnten jedoch neue Faktoren ins Spiel kommen – etwa bislang unbekannte Elementarteilchen oder Abweichungen von den bekannten Naturgesetzen.

Die ALPHATRAP-Ionenfalle. Foto: MPI für Kernohysik

Ein Forschungsteam aus mehreren Arbeitsgruppen am MPIK hat hier nun einen wichtigen Meilenstein erzielt. „Es ist uns gelungen, wasserstoffartige Zinn-Ionen zu erzeugen und monatelang in unserer Alphatrap-Ionenfalle zu speichern“, sagt Jonathan Morgner, Erstautor der neuen Studie und Doktorand der Forschungsgruppe von Professor Klaus Blaum. Geleitet wird das Experiment von Sven Sturm, die Theoriegruppe um Zoltán Harman aus der Abteilung von Christoph Keitel hat die Berechnungen durchgeführt. Morgner fährt fort: „Dank der langen Speicherdauer konnten wir das magnetische Moment mit bisher unerreichter Genauigkeit vermessen.“ Die Studie ist in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ erschienen.

Wasserstoffartiges Zinn besitzt lediglich ein Elektron in der Hülle – genau wie herkömmlicher Wasserstoff. Der Atomkern von Zinn weist jedoch 50 Protonen auf, so dass dieses Element normalerweise auch 50 Elektronen in der Schale hat. „Wir mussten also zunächst 49 Elektronen entfernen“, sagt Morgner. „Dazu haben wir unsere Elektronenstrahl-Ionenfalle genutzt, die Heidelberg-EBIT, eine Falle zur Erzeugung hochgeladener Ionen, die von José Crespo López-Urrutia aus der Abteilung von Thomas Pfeifer entwickelt wurde.“ In dieser Anlage wird eine Wolke aus rund 100.000 Zinn-Ionen mit hochenergetischen Elektronen beschossen. Dabei verlieren die Ionen sukzessive ihre Elektronen. Ein Filtersystem separiert aus diesen Ionen dann die wenigen aus, die nur noch ein Elektron in der Hülle haben, und speist diese in die Teilchenfalle des Alphatrap-Experiment ein. Dort werden dann die magnetischen Eigenschaften der Elektronen vermessen.

Alphatrap ist ein Hochpräzisions-Experiment, dessen Herzstück eine Penning-Falle ist, in dieser werden geladene Teilchen mit elektromagnetischen Feldern festgehalten. Außerdem besitzt sie ein kryogenes Vakuumsystem, das mit Hilfe tiefer Temperaturen ein extrem gutes Vakuum erzeugt. Das ist notwendig, weil die hochgeladenen Zinn-Ionen etwaigen Fremdatomen sofort Elektronen entreißen. Das würde längerfristige Messreihen unmöglich machen. Zudem ist die Präparation wasserstoffartigen Zinns sehr aufwändig.

An den gefangenen Zinn-Ionen konnten die Forscher:innen dann mit Hilfe eingestrahlter Mikrowellen den sogenannten g-Faktor des Elektrons messen. Bei der passenden Frequenz machen die Elektronen in dem angelegten Magnetfeld in der Falle sogenannte Spin-Flips – also Umorientierung ihrer „Magnetnadel“. Dieser Effekt erlaubt hochgenaue Messungen des g-Faktors, auch „gyromagnetischer Faktor“ genannt. Dies ist ein Maß dafür, wie stark das Magnetfeld des Elektrons ist.

Der dimensionslose Wert des g-Faktors ist ungefähr 2. Der genaue Wert kann von der Quantenelektrodynamik vorhergesagt werden, und hängt vom Umfeld des Elektrons ab. Und hier kommen die hochgeladenen Zinn-Ionen ins Spiel. Da sie nur ein Elektron besitzen, lassen sie sich von der Theorie her ähnlich wie ein Wasserstoffatom beschreiben. Das vereinfacht die Berechnungen enorm. Allerdings liegen auf der engen Bahn des Elektrons um den Atomkern aufgrund der hohen Ladung des Zinnkerns extrem hohe elektrische Felder von rund 10¹⁵ Volt pro Zentimeter vor. Derartige Feldstärken sind um Größenordnungen stärker als das, was sich heute selbst mit den stärksten Lasersystemen in solchen Experimenten realisieren lässt. Damit eignen sich derartige Atomkerne hervorragend, um die Vorhersagen der Quantenelektrodynamik auch im Hochfeld-Regime, d.h. unter extremen Bedingungen, zu überprüfen.

Die komplizierten Berechnungen zum Theoriewert des g-Faktors bei starken Feldern liefern etwas weniger präzise Vorhersagen als beim freien Elektron, aufgrund der zusätzlichen Interaktion mit dem Atomkern. Der g-Faktor sollte laut Theorie g_theo = 1,910 561 821 (299) betragen. Der in der Alphatrap-Ionenfalle gemessene experimentelle Wert hat eine wesentlich höhere Genauigkeit und beträgt g_exp = 1,910 562 059 (1). „Die beiden Werte sind in sehr guter Übereinstimmung, das ist also eine ausgezeichnete Bestätigung der Quantenelektrodynamik“, so Morgner. „Unser bisheriges Verständnis von Physik funktioniert also auch bei solch extremen Feldern.“

Bislang waren vergleichbare Messungen des g-Faktors von Elektronen nur bei deutlich leichteren Elementen wie Silizium durchgeführt worden.
Dank der geglückten Messungen tut sich nun die Möglichkeit auf, auch mit noch schwereren Ionen zu arbeiten. Wasserstoffartiges Blei oder Uran weisen nochmals ein wesentlich höheres elektrisches Feld auf als Zinn. Die Heidelberger Anlage wird deshalb bereits modernisiert, um weitere und noch stärkere fundamentale Tests der Quantenelektrodynamik zu ermöglichen.

(Dirk Eidemüller)

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Jonathan Morgner
MPI für Kernphysik
E-Mail: jonathan.morgner@mpi-hd.mpg.de
Tel.: +49 6221 516-674

Sven Sturm
MPI für Kernphysik
E-Mail: sven.sturm@mpi-hd.mpg.de
Tel.: +49 6221 516-447

Zoltán Harman
MPI für Kernphysik
E-Mail: harman(@mpi-hd.mpg.de
Tel.: +49 6221 516-163

Originalpublikation:

J. Morgner, B. Tu, C.M. König, T. Sailer, F. Heiße, H. Bekker, B. Sikora, C. Lyu, V.A. Yerokhin, Z. Harman, J. R. Crespo López-Urrutia, C. H. Keitel, S. Sturm and K. Blaum
Stringent test of QED with hydrogenlike tin
Nature (4. Oktober 2023), DOI: 10.1038/s41586-023-06453-2

Weitere Informationen:

https://www.mpi-hd.mpg.de/blaum/gfactor/alphatrap/index.de.html Alphatrap-Experiment
https://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/de/forschung/abteilungen-und-gruppen/theoretische-… Theoretische Quantendynamik und Quantenelektrodynamik
https://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/de/nachrichten/nachricht/erste-resultate-des-neuen… g-Faktor von borartigem Argon