Præcisionsmåling på tunge ioner modsiger teori om interaktion mellem atomkerne og elektron

For første gang, et team af forskere under ledelse af TU Darmstadt er lykkedes med at måle overgangen mellem energiniveauer af de litiumlignende bismuthioner med en sådan præcision, at det er blevet muligt at revurdere underliggende teorier. Dette har ført til et overraskende resultat - forståelsen af ​​interaktionen mellem en elektron og en atomkerne, som vi har haft indtil nu, kan være forkert.

På overfladen af ​​kerne af vismutatomer, magnetiske felter findes, som ellers kun findes på overfladen af ​​massive neutronstjerner. Elektroners adfærd på disse områder er blevet undersøgt af en gruppe forskere under ledelse af Technische Universität Darmstadt. Først for nylig har de opnået et gennembrud ved for første gang at observere en særlig overgang i lithiumlignende ioner af dette element.

Det er nu lykkedes dem at måle denne overgang på GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung i Darmstadt med en sådan præcision, at det var muligt for første gang at revurdere den underliggende teori overbevisende. I det seneste nummer af fagtidsskriftet Naturkommunikation , forskerne redegør for deres overraskende resultat:uoverensstemmelsen mellem teorien og eksperimentet er slående. Det tyder på en fejl i vores forståelse af, hvordan en elektron interagerer med den komplekse indre struktur af en kerne.

Enkle atomer bestående af en enkelt kerne og en eller et par elektroner er ideelle systemer til at kontrollere vores forståelse af de underliggende fysiske kræfter på spil. Vi har en bedre forståelse af teorien om atomets elektronskal baseret på kvanteelektrodynamik (QED) end den faktiske struktur af atomkernen. QED gør det muligt at beregne egenskaberne ved elektronerne og de tilstande, hvori atomet kan eksistere, med stor nøjagtighed. Disse beregninger kontrolleres derefter ved hjælp af præcisionsmålinger. Til dato, QED har bestået alle disse tests med glans.

Ved brug af tunge kerner, forskerne er hovedsageligt interesseret i indflydelsen af ​​de gigantiske elektriske og magnetiske felter på elektronerne bundet i skallen. Kun meget få eksperimentelle verifikationer af denne teori er blevet udført under disse ekstreme forhold, og de udviser ikke langt den samme nøjagtighed som eksperimenterne udført med lette kerner. De stærke felter gør de teoretiske beregninger meget vanskeligere. Ud over, kernernes komplekse indre struktur kendes ikke med tilstrækkelig præcision, selvom den har en stærk indflydelse på atomskallen.

For at omgå denne vanskelighed, teoretikere beregner visse forskelle for systemer med forskellige antal elektroner, men med samme atomkerne. Disse såkaldte "specifikke forskelle" er af en sådan karakter, at bidragene fra kernens struktur næsten eliminerer sig selv, og at de kan bruges af forskerne som udgangspunkt for at kontrollere QED-beregningerne med mere præcision. De resultater, der nu er blevet offentliggjort, imidlertid, synes at sætte spørgsmålstegn ved begrebet specifik forskel.

Forskning ved Storage Ring ESR

I sit eksperiment, holdet genererede først brintlignende og litiumlignende vismutioner. Disse ioner blev injiceret i den eksperimentelle lagringsring (ESR) ved GSI -acceleratorfaciliteten, der har en omkreds på 108 m og er udstyret med to lige sektioner, hvor eksperimenter kan udføres. I et af disse afsnit, en elektronstråle med defineret energi er overlejret med ionstrålen. Efter et par sekunder, ionernes hastighed tilpasser sig elektronernes hastighed. I dette afsnit, en pulserende laserstråle er, ud over, overlejret med ionstrålen. Laserens bølgelængde ændres derefter i små trin. Når laseren når nøjagtigt bølgelængden for ionens overgang, der skal undersøges, ionerne absorberer lyspartikler (fotoner) - og dermed energi - fra laserstrålen. Ioner, der er begejstrede på denne måde, frigiver denne energi efter et kort stykke tid, derved udsender et meget lille antal fotoner.

Dette lille antal fotoner blev effektivt opdaget ved hjælp af et specielt spejl og enkelt-foton detektionssystem, der blev udviklet ved universitetet i Münster. På grund af den høje hastighed, laserens bølgelængde komprimeres eller strækkes med en faktor på cirka 2,4, til en modpropagering eller en copropagating laser, henholdsvis. Denne faktor afhænger af elektronernes accelerationsspænding. For at måle denne højspænding på cirka 214, 000 volt med en nøjagtighed i størrelsesordenen 1 V, en højspændingsdeler udviklet ved PTB i Braunschweig blev brugt. Forskere fra TU Darmstadt var ansvarlige, blandt andet til dataindsamling og den tidsafhængige synkronisering af laserpulserne, som kun varer et par milliarddeler af et sekund (nanosekunder) med revolutionen af ​​ionerne inde i lagringsringen. De analyserede også dataene.

Den specifikke forskel i overgangsbølgelængderne målt i hydrogenlignende og litiumlignende vismut stemmer ikke overens med den teoretiske forudsigelse, også når man tager alle kendte kilder til systematiske fejl i betragtning. Årsagen til denne afvigelse er endnu ikke kendt og skal undersøges inden for rammerne af yderligere målinger med andre isotoper af vismut. Disse isotoper er, imidlertid, radioaktivt og skal derfor fremstilles, inden det injiceres i lagringsringen. Disse muligheder er tilgængelige på GSI Helmholtzzentrum. Den nye acceleratorfacilitet, RETFÆRDIG, hvis konstruktion i Darmstadt snart begynder, vil give nye muligheder for yderligere undersøgelser af dette emne.