Experiment zeigt Grenzen der QED
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)
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
