Quantenelektrodynamik auf dem Prüfstand

07.07.2011: In Goethes berühmtem Drama zweifelt der Gelehrte „Faust“ daran, dass die Wissenschaft ergründen kann, was die Welt im Innersten zusammenhält. Physiker setzen dieser Skepsis heute die Theorie der Quantenelektrodynamik entgegen. Sie beschreibt die Wirkung von elektrischen und magnetischen Kräften und bestimmt die Struktur von Atomen und Molekülen. Obwohl die Quantenelektrodynamik zu den am genauesten überprüften Theorien zählt, vermuten viele Physiker, dass sie bei sehr starken elektrischen Feldern versagen wird. Doch bei welchen Feldstärken tritt das ein? Eine Forschergruppe des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg bestätigte gemeinsam mit Kollegen von der Universität Mainz und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung die Theorie mit bislang unerreichter Genauigkeit. Ihre Methode eignet sich zudem, grundlegende Größen wie die Masse von Elektronen oder die Größe von Atomkernen zu messen.

Um die Quantenelektrodynamik in einem möglichst starken elektrischen Feld zu testen, haben die Forscher um Klaus Blaum vom Max-Planck-Instituts für Kernphysik einen besonderen Ort ausgewählt: das Innere eines Atoms. Wenn man in einem Atom alle bis auf ein letztes Elektron entfernt, entsteht ein sogenanntes wasserstoffähnliches Ion. Für Ihr Experiment wählten die Physiker Silizium. In einem solchen Ion herrscht am Ort des verbleibenden Elektrons eine Feldstärke von etwa 3 · 10¹³ Volt pro Zentimeter. Das zählt zu den höchsten im Labor erreichbaren Werten.

Die Struktur dieses Ions hat die Theoretikergruppe um Christoph Keitel im Rahmen der Quantenelektrodynamik extrem genau berechnet. Damit stellt es die ideale Umgebung für einen Test der Theorie unter extremen Bedingungen dar.

Blaum und seine Mitarbeiter wählten Silizium, weil es die schwerste, in ihrer Apparatur noch handhabbare Atomsorte ist. Ein Silizium-Atom besitzt im Normalfall 14 Elektronen. Daher mussten die Physiker zunächst alle weiter außen kreisenden Elektronen entfernen, indem sie die Silizium-Atome mit anderen, schnellen Elektronen beschossen. Bei Kollisionen katapultierten diese ihre Partner aus dem Atom heraus.

Auf diese Weise erhielten die Forscher ein Sammelsurium aus Ionen in unterschiedlichen Ladungszuständen, die sich dank ihrer positiven Ladung in einer elektromagnetischen Falle einfangen lassen. Hierin überlagern sich ein starkes Magnetfeld und ein elektrisches Feld. „Letzteres kann man sich wie einen Topf vorstellen, in dem die Ionen wie Murmeln hineinfallen“, veranschaulicht der Erstautor der Arbeit Sven Sturm diese Technik.

Die Apparatur besteht aus drei Fallen. Von der Erzeugungsfalle gelangte die Wolke in die Präzisionsfalle. Dort wurden die Ionen einer gezielten Radiofrequenzanregung unterzogen mit der Folge, dass alle Ionen außer der gewünschten Spezies aus der Falle geworfen wurden. Übrig blieb ein Ensemble aus Silizium-Ionen mit nur noch einem Elektron. Dann wurde das elektrische Feld so verändert, dass sich die Wände des „Topfes“ immer weiter absenkten. Aus diesem immer flacher werdenden Topf fielen die energiereichsten Silizium-Ionen nach und nach heraus, bis nur noch ein einziges Ion übrig blieb. Dieses kann über Monate hinweg gespeichert werden und bildet so das Testteilchen für die Quantenelektrodynamik.

Das den Kern umkreisende Elektron kann man sich wie eine Kugel vorstellen, die den Kern umkreist und gleichzeitig um die eigene Achse rotiert. Dabei erzeugt es ein Magnetfeld. In einem sehr starken Magnetfeld ist die Spin-Achse entweder parallel oder antiparallel zu den Feldlinien ausgerichtet. Diese Ausrichtung stellten die Physiker in der dritten Abteilung, der Analysefalle, fest.

Anschließend gelangte das Ion wieder in die Präzisionsfalle zurück. Dort maßen Sturm und Kollegen zwei Bewegungen, die das Ion um die Magnetfeldlinien ausführt: eine Kreisbewegung (Zyklotronfrequenz) und eine Kreiselbewegung der Spin-Achse (Larmor-Frequenz). Diese Bewegung ähnelt der Taumelbewegung eines Kreisels, den man seitlich angestoßen hat.

Aus diesen beiden Frequenzen berechneten Sturm und Kollegen den sogenannten g- oder auch Landé-Faktor. Er ist gewissermaßen die Testgröße für die Quantenelektrodynamik, die einen bestimmten Wert vorhersagt. Das Experiment ergab einen Wert von g = 1,995 348 958 7 mit der Unsicherheit in der letzten Stelle. Er stimmt mit dem theoretisch erwarteten Wert innerhalb der Fehlergrenze perfekt überein. Das ist die bisher mit Abstand genaueste Messung des g-Faktors des gebundenen Elektrons und ist damit der aussagekräftigste Test der Quantenelektrodynamik in starken Feldern.

Damit konnten Blaum, Keitel und Kollegen die Quantenelektrodynamik erneut glänzend bestätigen. Doch die Geschichte geht noch weiter. Nach dieser Messung ist der experimentelle Wert jetzt mit noch größerer Genauigkeit bekannt als der theoretische. Deshalb wird nun die Gruppe um Christoph Keitel und Zoltan Harman den g-Faktor noch genauer berechnen. Gleichzeitig will Blaums Gruppe die Messgenauigkeit noch einmal um das Zehnfache erhöhen. Auch Experimente mit noch schwereren Ionen und deshalb noch größeren Feldstärken sind geplant.

„Am spannendsten wäre es natürlich, wenn wir dann eine Abweichung von der Theorie messen würden“, sagt Blaum. Das würde nämlich auf eine neue, übergeordnete Physik hinweisen. Doch selbst wenn die Forscher die Quantenelektrodynamik erneut bestätigen werden, ist das Experiment äußerst wertvoll. Wenn die Quantenelektrodynamik stimmt, kann man nämlich aus den Messwerten interessante atomare Größen mit ungeahnter Präzision ermitteln. Hierzu zählen die Elektronenmasse – eine der Fundamentalgrößen in der Physik – und die Größe der Atomkerne. So ermittelten die Heidelberger Physiker in dem jetzigen Experiment den Radius des Silizium-Atomkerns zu 3,18 Femtometer (1 Femtometer entspricht 10^-15 Meter). Auch damit bestätigten sie den derzeitigen Standardwert.

Originalveröffentlichung:
S. Sturm et al.; g Factor of hydrogenlike 28Si13; Phys. Rev. Lett., im Druck