Alphatrap-Experiment liefert erste Ergebnisse

Forscher des MPI für Kernphysik berichten über das erste Ergebnis des Alphatrap-Experiments: Sie haben den g-Faktor eines gebundenen Elektrons in hoch­geladenen borartigen Argon-Ionen mit einer zuvor unerreichten Genauigkeit von neun Dezimal­stellen gemessen. Im Vergleich zu einer neuen hoch­präzisen quanten­elektro­dynamischen Berechnung fanden sie eine hervor­ragende Über­einstimmung bis auf sieben Dezimal­stellen. Das ebnet den Weg für empfindliche Tests der Quanten­elektro­dynamik in starken Feldern, wie die präzise Messung der Fein­struktur­konstanten α sowie den Nachweis möglicher Signaturen neuer Physik.

Die QED beschreibt die Wechselwirkung von geladenen Teilchen mit elektro­magnetischen Feldern und ist die bislang  am besten getestete physikalische Theorie. Sie liefert äußerst exakte Vorhersagen für physikalische Messgrößen und bisher wurde in keiner Messung eine Abweichung davon gezeigt. Dennoch ist es von funda­mentalem Interesse, mögliche Grenzen der Gültigkeit der QED zu finden – denn das wäre ein Weg zu neuer Physik. Ein guter Zugang dafür ist ein hochpräziser Test unter extremen Bedingungen, beispiels­weise bei extrem hohen Feldstärken.

Klaus Blaum und seine Mitarbeiter haben hierzu die magnetischen Eigen­schaften von hoch­geladenen Argon-Ionen in der neuen Ionenfalle Alphatrap mit hoher Präzision vermessen. Das untersuchte borartige Argon ist dreizehn­fach geladen, und hat – wie das Element Bor - fünf Elektronen, aber eine deutlich höhere Kernladung von 18 Elementar­ladungen. Das elektrische Feld des Atomkerns, dem das äußerste Elektron ausgesetzt ist, ist dadurch im Vergleich zu Bor etwa um einen Faktor 900 erhöht.

Messgröße ist die Magnetisierung des Elektrons, die durch den g-Faktor bestimmt wird. Hierzu tragen im betrachteten Beispiel sowohl der Spin als auch der Bahn­dreh­impuls bei. Der g-Faktor als Verhältnis des magnetischen Moments des Elektrons zu seinem Gesamt-Drehimpuls ist ein Maß für die Stärke der magnetischen Wechsel­wirkung und kann mittels der QED sehr genau berechnet wie auch im Experiment mit vergleich­barer Genauigkeit bestimmt werden. Der Vergleich von Theorie und Experiment stellt daher einen empfind­lichen Test der QED für gebundene Elektronen dar.

Für die Messung an einzelnen hochgeladenen Argon-Ionen kam erstmals die doppelte Penning-Ionenfalle Alphatrap zum Einsatz. Die Ionen werden durch ein starkes äußeres Magnetfeld auf eine Zyklotron­bewegung um die Fallen­achse gezwungen. Die ring­förmigen Elektroden können auf verschiedene elektrische Spannungen gelegt werden und so das Ion an einem Entweichen entlang der Fallen­achse hindern wie auch entlang dieser in gewünschter Weise trans­portieren. Im Präzisions­falle genannten Teil wird die Zyklotron­frequenz zerstörungs­frei mit extrem hoher Genauigkeit gemessen. Gleich­zeitig werden Mikrowellen einge­strahlt, die bei geeigneter Frequenz den Spin des Elektrons samt seiner Bewegung umklappen kann.

Diese Spin-Flips treten in Resonanz mit der Mikro­wellen­frequenz am häufigsten auf. Um solche Quanten­sprünge nachzuweisen, wird das Ion in die dafür entwickelte Analysefalle transportiert, wo man die Ausrichtung des Spins anhand einer präzisen Frequenz­messung feststellen kann. Mit dieser Methode gelang dank der hohen Präzision und Stabilität des gesamten Aufbaus, den g-Faktor auf neun Stellen genau zu bestimmen.

Zum Vergleich wurde in der Theorie-Abteilung von Christoph Keitel und in einer weiteren Gruppe um Dmitry Glazov von der Universität St. Petersburg der g-Faktor für borartiges Argon neu berechnet, wobei neben QED-Beiträgen auch die Wechsel­wirkung mit den übrigen vier Elektronen und der Rückstoß des Atomkerns Berück­sich­tigung fanden. Es wurde eine Genauigkeit von sieben Stellen erreicht und der theoretische Wert stimmt auf diesem Niveau hervor­ragend mit dem experi­mentellen Resultat überein. Es handelt sich um einen der präzisesten Tests von QED-Beiträgen von Mehr­elektronen­systemen in starken Feldern und bereitet den Weg für zukünftige Messungen mit Alphatrap. Hierzu zählt auch die hochpräzise Bestimmung der Fein­struktur­konstante, welche als fundamentale Natur­konstante in der QED die Stärke der elektrischen und magnetischen Kräfte bestimmt.

MPIK / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  I. Arapoglou et al.: g Factor of Boronlike Argon ⁴⁰Ar¹³⁺, Phys. Rev. Lett. 122, 253001 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.253001
• Gepeicherte und gekühlte Ionen (K. Blaum), Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg