Team udfører præcise målinger af de tungeste atomer

Et internationalt forskerhold har med succes udført ultrapræcise røntgenspektroskopiske målinger af heliumlignende uran. Holdet, som omfatter forskere fra Friedrich Schiller University Jena og Helmholtz Institute Jena (begge i Tyskland), har opnået resultater, der demonstrerer deres succes med at adskille og separat teste én-elektron to-loop og to-elektron kvanteelektrodynamiske effekter for ekstremt stærke Coulomb felter af de tungeste kerner for første gang.

Forskerne har nu offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Nature .

Det offentliggjorte papir beskriver grundlæggende forskning i det ældgamle spørgsmål om, hvad der holder vores verden sammen på det inderste niveau. Dr. Robert Lötzsch, en eksperimentel fysiker ved Institut for Optik og Kvanteelektronik ved University of Jena, siger, at den særlige del af dette projekt er, at målinger blev udført på de tungeste stabile atomer.

"Når vi måler et brintatom, som har atomnummer et, kan vi præcist måle elektronovergangene til 13 decimaler," siger Dr. Lötzsch. Han forklarer, at for uran, som har atomnummer 92, er der foretaget præcise målinger med fem decimaler.

Målingen fokuserer på overgangen mellem forskellige baner. Eksperimenterne fandt sted ved GSI/FAIR eksperimentelle lagerring i Darmstadt - et partikelacceleratorkompleks, der bruges af flere europæiske lande. Studiegrupper fra Polen, Frankrig, Portugal og Tyskland var involveret i de seneste målinger under ledelse af Martino Trassinelli og Robert Lötzsch. Darmstadt-komplekset omfatter en ionlagringsring med en omkreds på over 100 meter og en opstrøms accelerator, der strækker sig over en kilometer.

Lötzsch beskriver forsøget således:Først produceres frie ioner. For at opnå dette fordampes uran og accelereres derefter voldsomt til omkring 40 % af lysets hastighed. Det resulterende materiale føres derefter gennem en speciel film og taber elektroner i processen. De accelererede elektroner ledes derefter ind i en lagerring, hvor de løber rundt i en cirkulær bane.

"Partiklerne blinker af vores spektrometre op til 50 millioner gange i sekundet, og af og til er der en elektronovergang, vi kan måle ved hjælp af et spektrometer," siger Lötzsch. Det specielle Bragg-krystalspektrometer, der blev brugt i eksperimentet, blev konstrueret i Jena.

Den specifikt bøjede krystal udviklet i Jena

Spændepinden i spektrometeret, forklarer Lötzsch, er en specifikt bøjet krystal lavet af grundstoffet germanium. "Denne krystal er så tynd som et ark papir og holdes i en speciel glasform," siger Lötzsch. Denne teknik kræver betydelig ekspertise og blev udviklet i Jena. Forskning i udviklingen af ​​sådanne måleapparater har været i gang i over 30 år.

Resultaterne offentliggjort af forskergruppen er resultatet af et eksperiment udført i 2021. Testene kørte i tre uger hen over påsken under forhold kompliceret af COVID-19-pandemien. Ikke desto mindre mener Lötzsch, at resultaterne er besværet værd.

Han forklarer:"Vi har med succes testet, om vores teoretiske forståelse også gælder for denne eksotiske niche af materialer." Resultaterne, siger han, vil derfor være med til at fremme vores forståelse af, hvad der "holder verden sammen på de inderste niveauer."

Flere oplysninger: R. Loetzsch et al., Test af kvanteelektrodynamik i ekstreme felter ved hjælp af heliumlignende uran, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06910-y

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Friedrich Schiller University of Jena