Helmholtz-Preis für den genauesten Test der Quantenelektrodynamik mit wasserstoffähnlichen Ionen
Wie magnetisch ist ein Atom, dem man fast alle seine Elektronen weggenommen hat? Für die Untersuchung dieser Frage, die tiefe Einblicke in die Struktur des Universums erlaubt, erhalten Sven Sturm, Anke Wagner und Prof. Dr. Klaus Blaum den diesjährigen Helmholtz-Preis für Präzisionsmessung. Der Preis wird am 27. März im Rahmen der Feierlichkeiten zum 125-jährigen Jubiläum der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig übergeben.
Die Forscher vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz untersuchen sogenannte wasserstoffähnliche Ionen; das sind Atome, denen alle Elektronen bis auf ein einziges entrissen wurden. Im Unterschied zu dem einzelnen Elektron eines Wasserstoffatoms ist das verbleibende Elektron in einem wasserstoffähnlichen Ion viel stärker an den atomaren Kern gebunden, da dieser eine vielfach größere elektrische Ladung hat als beim Wasserstoff.
Die drei Preisträger haben hochpräzise vermessen, wie magnetisch solch ein Elektron ist; diese Eigenschaft wird durch den g-Faktor beschrieben. Der g-Faktor lässt sich auch sehr genau berechnen, Grundlage ist die sogenannte Quantenelektrodynamik. Durch den hohen Ladungszustand des Kerns und das damit verbundene extrem große elektrische Feld in dessen unmittelbarer Nähe müssen bei der Berechnung Beiträge berücksichtigt werden, die unter anderen experimentellen Bedingungen nicht relevant wären. Der Vergleich von Messung und Berechnung ist ein Test der Theorie der elektromagnetischen Wechselwirkung auf bisher nicht dagewesenem Niveau - und die Quantenelektrodynamik hat wieder bestanden. Das Verständnis der fundamentalen Kräfte im Universum wurde so weiter verbessert.
Um diese Messungen durchzuführen, mussten die Forscher erhebliche technische Probleme überwinden und neue Messinstrumente entwickeln. Kernstück ihres Aufbaus ist eine Kombination aus drei Ionenfallen, in denen das wasserstoffähnliche Ion gespeichert wird. Diese Fallen werden dicht bis an den absoluten Nullpunkt abgekühlt und sind in außerordentlich gutem Vakuum aufgebaut. Den Preisträgern war es so möglich, an einem einzelnen Ion mehrere Monate zu experimentieren. Für die Messung selbst wurde das Ion vielfach zwischen den Fallen hin- und her transportiert, um den quantenmechanischen Zustand des Elektrons festzustellen und mit Hilfe eines neu entwickelten Verfahrens seine Wechselwirkungsenergie mit dem Magnetfeld zu bestimmen. Aus dieser Größe lässt sich schließlich der gesuchte g-Faktor bestimmen.
Der Helmholtz-Preis wird vom Helmholtz-Fonds e. V. alle zwei bis drei Jahre für herausragende Präzisionsmessungen in Physik, Chemie oder Medizin vergeben. Er ist in diesem Jahr mit 20.000 € dotiert.
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