Standardmodell auf ein Trillionstel genau überprüft

Forschende am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ), Garching, sind mit Beteiligung von Randolf Pohl von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) Experimente an Wasserstoffatomen gelungen, mit denen sich das Standardmodell der Teilchenphysik auf 13 Nachkommastellen genau überprüfen lässt. Bezüglich Messungen an Wasserstoffatomen ist das das bislang exakteste Ergebnis. Damit konnten die Forschenden theoretische Vorhersagen im Wasserstoff überprüfen und unter anderem das Protonenradius-Rätsel lösen. Dieses bestand schon länger, seit Messungen an zweierlei Arten Wasserstoff auf unterschiedliche Protonenradien hingedeutet hatten.

Der Versuchsaufbau am MPQ für hochpräzise Messungen am Wasserstoffatom.

Quelle: Vitaly Wirthl, MPQ

Das Forschungsteam untersuchte den 2S-6P-Übergang im Wasserstoff und überprüfte die Theorie auf einem Präzisionsniveau, das nur durch das Zusammenspiel von Experiment, Theorie und Computersimulationen möglich war. „Die besondere Herausforderung bestand darin, trotz der sehr großen natürlichen Breite des Übergangs die Präzision von über zwölf signifikanten Stellen zu erreichen. Das ist so, als ob man die Distanz zum Weltraum mit einem Meterstab auf etwa die Größe eines Grippevirus genau messen würde,“ erklärt der Erstautor der Studie, Lothar Maisenbacher.

Die größte Schwierigkeit stellt die Doppler-Verschiebung dar. Die Wasserstoffatome werden auf –268 °C heruntergekühlt, bewegen sich bei dieser Temperatur aber immer noch so schnell wie ein Verkehrsflugzeug. Würden die Atome mit dieser Geschwindigkeit direkt auf das messende Laserlicht treffen, würde die Messung der Übergangsfrequenz bereits auf der sechsten Nachkommastelle beeinflusst.

Um die störende Doppler-Verschiebung zu unterdrücken, setzen die Wissenschaftler zwei gegenläufige Laserstrahlen ein. Ein Strahl trifft die Atome, die auf ihn zufliegen, der andere die sich entfernenden. Beim Mittelwert gleichen sich die Effekte der Verschiebung aus – ähnlich wie bei zwei Krankenwagen, deren überlagernde Sirenen sich ausgleichen. Voraussetzung ist dabei die perfekte Spiegelung der Laserstrahlen: „Die Entwicklung einer solchen optischen Anordnung für die violette Wellenlänge des 2S-6P-Übergangs war eine große Herausforderung, an der wir mehrere Jahre gearbeitet haben“, erinnert sich der Zweitautor, Vitaly Wirthl.

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Die gegenläufigen Strahlen erzeugen aber auch eine stehende Lichtwelle, die eine „Lichtkraft-Verschiebung“ verursacht. „Hier kommt die Quantenoptik ins Spiel: Die Atome werden in Überlagerungszustände gebracht und ‚spüren‘ gleichzeitig Knoten und Bäuche der Lichtwelle“, erklärt Wirthl. Dieser Effekt tritt erst auf der zwölften Nachkommastelle auf, musste aber verstanden werden, um die nächste Zahl dahinter zu messen.

Die Messung des MPQ-Forschungsteams zeigte eine perfekte Übereinstimmung von Experiment und Theorie. Neue Wechselwirkungen oder bisher unbekannte Teilchen lassen sich bis auf eine sehr kleine Obergrenze ausschließen. Die Messungen liefern zudem ultrapräzise Werte für zwei Naturkonstanten, die als Parameter in die Theorie eingehen: den Protonenradius und die Rydberg-Konstante. Der neue Protonenradius stimmt mit den Messungen des myonischen Wasserstoffs überein, in dem das Elektron durch ein Myon ersetzt ist. Frühere Vergleiche zwischen gewöhnlichem (elektronischem) und myonischem Wasserstoff zeigten Diskrepanzen und hatten das "Protonenradius-Rätsel" ausgelöst. Die neue Messung kann die Diskrepanz erstmals signifikant – auf mehr als fünf Standardabweichungen – ausschließen.

„Mit dieser Messung können wir das Protonenradius-Puzzle hinter uns lassen und uns auf den Test der QED und des Standardmodells konzentrieren. Die Theorien haben auch diesen sehr präzisen Test bestanden, aber wir wissen, dass sie nicht die ganze Wahrheit sind. Besonders spannend ist, dass wir zum ersten Mal sehr kleine, äußerst interessante Korrekturen sehen, die aus der Interaktion mit komplexeren Teilchen, sogenannten Hadronen, stammen,“ so Lothar Maisenbacher.

Auch MPQ-Direktor Theodor Hänsch betont die Bedeutung der Arbeit: „Präzisionsspektroskopie am Wasserstoffatom war über mehr als fünfzig Jahre ein spannendes Abenteuer, das Erfindungen wie das Laser-Kühlen atomarer Gase und die Laser-Frequenzkammtechnik inspiriert hat.“

Die in der Arbeit vorgestellten Techniken lassen sich auf andere Übergänge in Wasserstoff und Deuterium übertragen, was den Weg zu noch strengeren Tests des Standardmodells und zu verbesserten Einschränkungen möglicher neuer Kräfte oder Teilchen ebnen wird: „Ich finde es besonders spannend zu untersuchen, ob das Standardmodell bei dieser Präzision im schweren Wasserstoff auch stimmt. Denn der Kern der Deuterium-Atome hat einen ungeladenen Anteil, der sich ganz anders mit hypothetischen bisher unentdeckten Teilchen oder Wechselwirkungen verhalten könnte,“ erklärt Wirthl abschließend. [MPQ / JGU / dre]