Nachrichten-Archiv (2008 - 2023)

Die Quantenelektrodynamik (QED) ist Teil des Standardmodells der Teilchenphysik, welches das ambitionierte Ziel hat, alle physikalischen Effekte mit Ausnahme der Gravitation zu beschreiben. Tests des Standardmodells sind von Interesse, um Hinweise darauf zu finden, warum einige Vorhersagen sich nicht mit experimentellen Beobachtungen decken.
Die Stärke des magnetischen Moments eines einzelnen an den Atomkern gebundenen Elektrons wird durch den sog. g-Faktor bestimmt. Ein Vergleich des experimentellen und aus QED-Modellen berechneten g-Faktors erlaubt es, aktuelle QED-Modelle mit sehr hoher Genauigkeit zu testen.

In einem kürzlich in "Physical Review Letters" veröffentlichten Artikel berichten Mitglieder unserer Abteilung über die Messung des g-Faktors eines einzelnen gebundenen Elektrons in ²⁰Ne⁹⁺ und ²²Ne⁹⁺. Die g-Faktor-Experimente wurden mit den kryogenen Penningfallen-Setups ALPHATRAP und PENTATRAP am MPIK durchgeführt. Zur Bestimmung des g-Faktors wird die Masse des Neonkerns und die Larmorfrequenz (Präzessionsfrequenz des Spins des gespeicherten Neonions im Magnetfeld) benötigt. Die Larmorfrequenz wurde im ALPHATRAP-Experiment bestimmt. Die Kernmasse von ²⁰Ne wurde vom PENTATRAP-Experiment mit einer Genauigkeit von 5·10^–12 bestimmt. Dies ist ein Weltrekord für Massenmessungen in atomaren Masseneinheiten. Mit Hilfe der Kernmasse und der Larmorfrequenz wurde der g-Faktor des gebundenen Elektrons in ²⁰Ne⁹⁺ und ²²Ne⁹⁺ mit einer relativen Genauigkeit von 10^–10 bestimmt.
Der Vergleich des experimentellen und aus QED-Modellen berechneten g-Faktors zeigt eine Übereinstimmung auf zehn Dezimalstellen und liefert den präzisesten Test der Theorie der Selbstinteraktion des gebundenen Elektrons.

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Moderne Atomuhren gehören zu den genauesten Messinstrumenten. Sie sind die Grundlage für Spitzentechnologien wie das GPS-System. Die Erfindung des Frequenzkamms öffnete den Weg zu Atomuhren, die optische Übergänge in gefangenen, einzelnen, hochgeladenen Ionen (HCI) nutzen.
In einem kürzlich in "Physical Review Letters" veröffentlichten Artikel berichten Mitglieder unserer Abteilung über die Identifizierung eines metastabilen elektronischen Zustands in hochgeladenen Blei-Ionen (Nb-ähnliches ²⁰⁸Pb⁴¹⁺), der als Uhrenzustand genutzt werden könnte. Mit dem Penningfallen-Massenspektrometer PENTATRAP wurde die Anregungsenergie des metastabilen Zustands in Pb⁴¹⁺-Ionen direkt zu 31,2(8) eV bestimmt. Mit einer relativen Massenunsicherheit von 4·10^–12 ist dies eine der bislang präzisesten Massenmessungen.
Die experimentelle Arbeit wurde mit einer theoretischen Arbeit aus der Abteilung von Christoph Keitel am MPIK und Paul Indelicato von der Universität Sorbonne kombiniert, in der die Übergangsenergie mittels zweier umfangreicher, teilweise unterschiedlicher ab-initio-Multi-Konfigurations-Dirac-Hartree-Fock-Rechnungen bestimmt wurde.

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Die Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) Matrix ist ein zentraler Grundpfeiler in der Formulierung des Standardmodells der Teilchenphysik. Die CKM Matrix muss unitär sein, damit das Standardmodell vollständig ist. V_ud, das erste Matrixelement in der oberen Reihe, lässt sich aus Messungen von beta-Zerfallsraten unter Berücksichtigung von theoretischen Korrekturen, wie z. B. der Ladungsverteilung im Kern (Kernladungsradius), extrahieren.
In ^26mAl sind diese Korrekturen sehr klein und es besitzt eine der am genauesten gemessenen beta-Zerfallsraten, die den Wert von V_ud einschränkt. Deshalb ist ^26mAl von besonderer Bedeutung für die Bestimmung von V_ud.

In einem kürzlich in "Physical Review Letters" veröffentlichten Artikel berichten P. Plattner et al. über die erste experimentelle Bestimmung des Ladungsradius von ^26mAl mittels kollinearer Laserspektroskopie. Dazu wurden zwei unabhängige Experimente durchgeführt. Eines an der COLLAPS Beamline an ISOLDE-CERN, ein weiteres an der IGISOL CLS Beamline in Jyväskylä, Finnland. Der neue präzise Wert R_c=3.130(15) fm für den Ladungsradius von ^26mAl hat eine unmittelbare Bedeutung für die Bestimmung von V_ud und damit den Test der Unitarität der CKM Matrix.

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Der Artikel wurde für einen sog. Viewpoint in Physics ausgewählt. Bitte lesen Sie auch den Standpunkt zum Artikel  von T. E. Cocolios (KU Leuven).

Der Artikel wurde auch als "Empfehlung des Editors" ausgezeichnet. Dieses Prädikat erhalten Artikel "die hochinteressante Ergebnisse präsentieren und denen es dabei gelingt deren Bedeutung gerade auch an Leser aus anderen Gebieten erfolgreich zu vermitteln." (freie Übersetzung, siehe hier )