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Erste direkte Messung der g-Faktor Differenz zweier gleichzeitig gespeicherter Isotope
Die Quantenelektrodynamik (QED), die fundamentale Theorie der Licht-Materie-Wechselwirkung, war bisher stets in hervorragender Übereinstimmung
mit den experimentellen Ergebnissen (siehe z. B. unsere
Nachricht vom 08.07.11 und 20.02.14).
Heutige fortgeschrittene hochpräzise Penningfallen-Messungen ermöglichen Tests hochmoderner QED-Berechnungen. Das magnetische Moment (bzw.
der g-Faktor) wasserstoffähnlicher Ionen, die ein einfaches gebundenes System darstellen, ist experimentell zugänglich und lässt sich
auch sehr präzise theoretisch vorhersagen. Daher liefern genaue g-Faktor Messungen des gebundenen Elektrons hochgeladener Ionen (HCI)
in Penningfallen strenge Tests des Standardmodells in den stärksten elektromagnetischen Feldern (siehe z. B. unsere
Nachricht vom 25.02.19).
Der g-Faktor des gebundenen Elektrons in wasserstoffähnlichen Ionen ergibt sich vor allem durch das zusätzliche elektrische Feld
modifizierten g-Faktor eines freien Elektrons. Da viele andere beitragende Kerneffekte (z. B. Kernmasse, Ladungsradius) kleiner sind
als die QED-Beiträge und deren Unsicherheiten, lassen sie sich nur schwer untersuchen. Diese theoretische Limitation lässt sich überwinden,
indem man die g-Faktor Differenz zweier hochgeladener Isotope untersucht. In diesem Fall müssen die gemeinsamen identischen QED-Beiträge
und deren Unsicherheiten nicht berücksichtigt werden, sodass die Unterschiede der Isotope aufgrund des Kerns in den Vordergrund treten.
Hierdurch kann z. B. der Beitrag des Kernrückstoßes zum g-Faktor aufgelöst und getestet werden, der die Beweglichkeit des Kerns im Rahmen
komplizierter QED-Berechnungen berücksichtigt.
Für die Durchführung hochpräziser Tests dieser genauen QED-Berechnungen, müssen die experimentellen Limitationen aufgrund der Genauigkeit der
Ionenmassen und der erreichbaren Magnetfeldstabilität (siehe unsere
Nachricht vom 18.01.16) überwunden werden. Indem man zwei HCIs gleichzeitig
in einer Penningfalle speichert und die Differenz ihrer g-Faktoren direkt misst, könnte der Einfluss von Magnetfeldfluktuationen erheblich
reduziert werden. Die stark verbesserte Messgenauigkeit würde es erlauben, die zugehörigen QED-Berechnungen mit hoher Präzision zu testen.
In einem kürzlich in "Nature" veröffentlichten Artikel berichten unsere Abteilungsmitglieder Dr. T. Sailer et al. über den Einsatz einer neu entwickelten Technik zur direkten Messung der g-Faktor Differenz. Die hochpräzisen Messungen wurden im Penningfallen-System ALPHATRAP am MPIK in Heidelberg durchgeführt, wo Ionen durch die Kombination aus statischen elektrischen und magnetischen Feldern gefangen und manipuliert werden können. ALPHATRAP ist ein kryogenes Doppelfallen-System in einem supraleitenden 4-T Magneten, bestehend aus einer Präzisionsfalle (PT) und einer Analysefalle (AT). Die PT mit ihrem sehr homogenen Magnetfeld wird dabei für Spektroskopie mit höchster Präzision verwendet, während in der AT durch eine starke magnetische Flasche die Larmor-Frequenz νL bestimmt werden kann. Dazu werden mithilfe des kontinuierlichen Stern-Gerlach Effekts durch Mikrowellen im Bereich von νL induzierte Spin-Flips detektiert.
Die Bestimmung des g-Faktors der gespeicherten Ionen basiert auf der Messung des Frequenzverhältnisses νL/νc der
Larmor-Frequenz (νL) und der Zyklotronfrequenz (νc). νc kann in der PT aus
den drei unabhängigen harmonischen Oszillationen der
Ionenbewegung νz (Axialfrequenz), ν+ (modifizierte Zyklotronfrequenz) und
ν- (Magnetronfrequenz) mithilfe
des Invarianztheorems präzise bestimmt werden:
νc2=ν+2+νz2+ν-2.
Für die direkte Messung der g-Faktor Differenz zweier HCIs zum strengen Test exakter QED-Berechnungen gebundener Zustände, wurden die
Neon-Isotope20Ne9+ und 22Ne9+ gleichzeitig in dem Penningfallen-System gespeichert. Hierzu entwickelten
die Wissenschaftler eine neuartige Messtechnik, die auf dem Prinzip der "Two-Ion-Balance" beruht, die am MIT entwickelt wurde (siehe
Phys. Rev. A 45, 3049 (1992) und
Science 303, 334–338 (2004)
).
Die beiden Ionen, 20Ne9+ und 22Ne9+, wurden dazu auf einer gemeinsamen Magnetron Kreisbahn mit einem Abstand von lediglich 400 μm in der PT gekoppelt. Dies ermöglicht eine kohärente Messung der Larmor-Frequenz Differenz indem eine Ramsey-artige Messung (eine Einstrahlung von zwei kurzen Mikrowellen π/2-Pulsen, mit einer variablen Zeit dazwischen) durchgeführt wurde. Aus der extrahierten Differenzfrequenz ΔνL konnte anschließend die g-Faktor Differenz Δg von 20Ne9+ und 22Ne9+ bestimmt werden. Die erreichte Präzision von 5.6 × 10−13 (0.56 p.p.t.) relative zu den absoluten g-Faktoren ist mehr als zwei Größenordnungen genauer als vorherige Vergleiche dieser Art.
Diese verbesserte Genauigkeit erlaubt es zum ersten Mal, den QED-Beitrag zum Kernrückstoß aufzulösen und zu bestätigen.
A. V. Volotka und Mitglieder der Theorie-Abteilung von Prof. C. H. Keitel führten für den Vergleich des experimentellen Ergebnisses mit der
theoretischen Vorhersage präzise QED-Berechnungen durch. Der experimentelle Wert stimmt hervorragend mit dem berechneten Wert von
Δg überein und ist zudem 10-mal genauer. Alternativ dazu kann die Kombination aus Theorie und des sehr genauen experimentellen Werts verwendet
werden, um eine Verbesserung der Präzision der Ladungsradius-Differenz der Isotope um etwa eine Größenordnung zu erreichen.
Außerdem gestattet die exzellente Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment, Einschränkungen für die Suche nach neuer Physik jenseits des
Standardmodells der Teilchenphysik zu setzen.
Weitere Informationen finden Sie im "Nature"-Artikel
und dem zugehörigen Artikel in News & Views
Bitte lesen Sie auch die Pressemeldung des MPIK
(idw
).
Weitere Pressemitteilungen:
Erste direkte Messung des magnetischen Kernmoments von Helium-3
Das Helium-Isotop 3He ist für die moderne Physik von großer Bedeutung, insbesondere für die Grundlagenphysik (siehe z. B. unsere
Nachricht vom 03.09.20), etwa empfindliche Tests der QED gebundener Zustände und
Myon g-2 Experimente. Darüber hinaus auch für die Chemie, die Medizin und andere Wissenschaftsbereiche.
In der Magnetometrie sind mittels magnetischer 3He Kernresonanz-Sonden präzisere absolute Messungen des Magnetfeldes möglich, als bei
Verwendung von Standard-Sonden, die Wasser verwenden. Daher könnten 3He Kernresonanz-Sonden für sehr genaue absolute Magnetometer verwendet werden
und als neuer Standard für die ultra-sensitive absolute Magnetometrie dienen.
Voraussetzung hierfür ist aber, dass das magnetische Moment des 3He Kerns sehr genau und unabhängig bestimmt ist. Allerdings wurde
bisher das Moment des 3He Kerns lediglich indirekt über den Vergleich mit wasserbasierten Proben mit einer relativen Genauigkeit von
lediglich 12 parts per billion (p.p.b.) gemessen.
Der sogenannte g-Faktor ist eine Proportionalitätskonstante, die das magnetische Moment eines geladenen Teilchens mit seinem Spin
verknüpft. Folglich wird eine hochpräzise direkte Bestimmung des g-Faktors des 3He Kerns eine unabhängige
Kalibrierung von 3He Kernresonanz-Sonden für hochgenaue Magnetometrie liefern.
In einem kürzlich in "Nature" veröffentlichten Artikel berichten Wissenschaftler unserer Abteilung "Gespeicherte und gekühlte Ionen",
der Universität Mainz und von RIKEN über die ersten direkten Messungen des g-Faktors des gebundenen Elektrons und des g-Faktors
des Kerns von 3He+ mit einer relativen Genauigkeit von 10–10. Die Genauigkeit der Nullfeld-Hyperfeinaufspaltung des
Grundzustands von 3He+ (magnetische Wechselwirkung von Elektron und Kern) konnte um zwei Größenordnungen verbessert werden.
Die Präzisionsmessungen wurden in einem neuartigen Penningfallen-System durchgeführt. Der Aufbau befindet sich im homogenen Feld eines
supraleitenden 5.7 T Magneten und besteht aus einer Präzisionsfalle (PT) und einer Analysefalle (AT) mit einer räumlich getrennten starken
magnetischen Inhomogenität.
Die Bewegung eines einzelnen in einer Penningfalle gespeicherten geladenen Teilchens - in diesem Fall das 3He+ Ion -
besteht aus drei unabhängigen harmonischen Oszillationen: der Axialfrequenz νz, der modifizierten Zyklotronfrequenz
ν+ und der Magnetronfrequenz ν-. Diese Eigenfrequenzen können mit hoher Genauigkeit in der PT
nachgewiesen werden. Die freie Zyklotronfrequenz νc lässt sich mithilfe des sogenannten Invarianztheorems
νc2=ν+2+νz2+ν-2
bestimmen.
Der Elektronenspin und der Kernspin von 3He+ sind parallel oder antiparallel zu einem äußeren Magnetfeld ausgerichtet.
Daraus ergibt sich eine Hyperfeinaufspaltung in 3He+ mit vier unterschiedlichen Hyperfeinzuständen. In der PT wurden zwei
Elektronenspin- und zwei Kernspin-Übergangsfrequenzen zwischen diesen Hyperfeinzuständen bestimmt, indem die Zyklotronfrequenz gemessen wurde,
während eine Mikrowellen-Anregung einer der vier Hyperfeinübergänge erfolgte.
Die elektronischen Übergänge und die Kernübergänge entsprechen einem Spin-Flip des Elektrons bzw. des Kerns. Die AT mit der starken magnetischen
Inhomogenität dient dem Nachweis des Spinzustands durch Anwendung des kontinuierlichen Stern-Gerlach-Effekts. Ein Spin-Flip ändert das magnetische
Moment des gespeicherten 3He+. Wegen der Kopplung des magnetischen Moments an die Axialfrequenz von 3He+,
bewirkt diese Änderung eine Verschiebung der Axialfrequenz. Daher kann ein Spin-Flip nachgewiesen werden, indem man die Axialfrequenz in der
AT vor und nach dem resonanten Anregen des Hyperfeinübergangs misst.
Aus den Resonanzkurven für jeden der vier Hyperfeinübergänge wurden der g-Faktor des gebundenen Elektrons, der g-Faktor des
Kerns und die Nullfeld-Hyperfeinaufspaltung von 3He+ extrahiert. Die dabei erreichte relative Genauigkeit von
10–10 ist um einen Faktor 10 besser als jene bisheriger Ergebnisse.
Für den Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit modernen theoretischen Vorhersagen führten Mitglieder der MPIK-Theoriegruppe um Zoltán Harman
in der Abteilung von Christoph H. Keitel hochpräzise QED-Berechnungen durch. Der theoretische Wert des g-Faktors des gebundenen Elektrons
von 3He+ ist konsistent mit dem experimentellen Resultat. Der Unterschied zwischen dem experimentellen Wert der
Nullfeld-Hyperfeinaufspaltung des Grundzustands von 3He+ und dem berechneten Wert beträgt 6 parts per million (p.p.m.).
Aus dem gemessenen abgeschirmten g-Faktor des 3He+ Kerns und einer sehr genauen QED-Berechnung der diamagnetischen
Abschirmkonstante wurde außerdem der g-Faktor des "nackten" (d. h. nicht abgeschirmten) 3He Kerns ermittelt.
Diese erste direkte Kalibrierung für 3He Kernresonanz-Sonden verbessert bisherige indirekte Ergebnisse um eine Größenordnung (1 p.p.b. anstatt 12 p.p.b.). Künftig sollen die Penningfallen-Messungen weiter verbessert werden, indem die magnetische Inhomogenität der PT reduziert wird. Außerdem werden durch den Einsatz schneller phasensensitiver Nachweismethoden - z. B. der "Pulse and Amplify" Methode - noch genauere Magnetfeldmessungen möglich sein. Die erstmals bei Helium-3 eingesetzte neue Messmethode kann auch zur Bestimmung des magnetischen Kernmoments schwererer wasserstoffähnlicher Ionen eingesetzt werden. Der nächste Schritt wird eine direkte Penningfallen-Messung des magnetischen Moments des nackten 3He Kerns sein. Mithilfe sympathetischer Laserkühlung wird eine relative Genauigkeit von etwa 1 p.p.b. oder besser erreicht werden.
Weitere Informationen finden Sie im "Nature" Artikel ... >
Bitte lesen Sie auch die Pressemeldungen des MPIK
(idw
)
und der MPG
.
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