Posted in: Mathematik, Physik 11. Juli 2011 13:39 Weiter lesen →

QED: Robuste Quantentheorie

Grafik zeigt Ion als blaue Kugel, die von einer kleinen roten Kugel umkreist wird, in einer goldenen, in mehrere Abschnitte unterteilten Röhre Die Beschreibung der elektromagnetischen Kräfte gilt als eine der erfolgreichsten Theorien der Physik. Völlig zu Recht, belegt ein elegantes Experiment Heidelberger, Mainzer und Darmstädter Forscher. Demnach verhält sich ein einsames Elektron im geballten Feld eines Atomkerns genau so, wie man es von ihm erwarten sollte.

Die verwendete Apparatur vereint drei Ionenfallen in sich. Grafik: MPI für Kernphysik

Die Taumelbewegungen des Elektrons entsprechen selbst in dem starken elektrischen Feld exakt den Vorhersagen der Quantenelektrodynamik, ermittelten die Physiker um Klaus Blaum vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik. Das von vielen Forschern erwartete Versagen der Theorie könne daher erst bei noch höheren Feldstärken stattfinden, folgert die Gruppe im Fachblatt „Physical Review Letters“.

Die Quantenelektrodynamik beschreibt, wie elektromagnetische Wellen und Materie miteinander wechselwirken. Drei ihrer Schöpfer wurden bereits in den 60er-Jahren mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Bis heute hat sich die Theorie immer wieder bewährt. Bei sehr hohen elektrischen oder magnetischen Feldstärken könnte sie allerdings an ihre Grenzen stoßen, indem gewissermaßen aus dem Nichts Paare aus Teilchen und Antiteilchen entstehen.

Um diese Grenzen auszuloten, nutzten Blaum und Kollegen stark ionisierte Atome als Testlabor. Die Forscher erzeugten dazu Siliziumatome, die nur noch eines von ursprünglich 14 Elektronen besaßen. Das verbliebene Elektron mit seiner negativen elektrischen Ladung verspürt in der Umgebung des Atomkerns mit seinen 14 positiv geladenen Protonen eine Feldstärke von etwa 30 Billionen Volt pro Zentimeter. Zum Vergleich: Damit zwischen zwei blanken Drähten Funken überspringen, genügen 30.000 Volt pro Zentimeter.

Mithilfe mehrerer Fallen, in denen geladene Teilchen mit elektrischen und magnetischen Feldern festgehalten und manipuliert werden, konnten die Forscher einzelne Siliziumionen isolieren und gründlich studieren. Besonders interessierten sie sich dafür, wie schnell das Ion um die Feldlinien eines angelegten Magnetfeldes kreisten und wie schnell sein verbliebenes Elektron in einem Magnetfeld taumelte. Anhand dieser Werte konnten die Forscher den gyromagnetischen Faktor bis auf die neunte Stelle hinter dem Komma berechnen. Ungeachtet des extrem starken elektrischen Hintergrundfeldes entspricht der experimentell ermittelte Wert dem theoretisch berechneten.

Blaum und Kollegen wollen ihre Messungen und Berechnungen nun noch weiter verfeinern. „Am spannendsten wäre es natürlich, wenn wir dann eine Abweichung von der Theorie messen würden“, so der Wissenschaftler. Allerdings wäre das Experiment auch bei einer neuerlichen Bestätigung der Quantenelektrodynamik wertvoll – nicht zuletzt, weil anhand der Messwerte Eigenschaften wie die Elektronenmasse oder der Kerndurchmesser sehr genau berechnet werden können.

Forschung: Sven Sturm, Anke Wagner, Günter Werth, Christoph H. Keitel und Klaus Blaum, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, und Institut für Physik, Johannes-Gutenberg-Universität, Mainz; und andere

Veröffentlichung Physical Review Letters, Vol. 107, Artikel 023002, DOI 10.1103/PhysRevLett.107.023002

WWW:
Abteilung für gespeicherte und gekühlte Ionen, MPI für Kernphysik
AG Werth, Uni Mainz
Quantum Electrodynamics
Nobel Prize in Physics 1965

Lesen Sie dazu im Scienceticker:
Atomkern mit Satellit
Quanteneffekt macht Protonen „unsichtbar“

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