Trotz seiner außerordentlichen Erfolge bei der Beschreibung der Elementarteilchen und der zwischen ihnen wirkenden fundamentalen Kräfte ist das Standardmodell der Teilchenphysik unvollständig: Es erklärt weder die Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum noch die Neutrino-Oszillationen und die offensichtlichen Hinweise auf dunkle Materie. Die Untersuchung der Grenzen des Standardmodells und die Erkundung möglicher Alternativen und Erweiterungen werden in verschiedenen Bereichen der aktuellen Forschung durchgeführt, darunter Hochenergie-Experimente an Beschleunigern, die Suche nach seltenen Prozessen, kosmische Beobachtungen und hochpräzise Niederenergie-Experimente. Unter letzteren hat sich die präzise Spektroskopie der Isotopenverschiebung zu einer der leistungsfähigsten Methoden entwickelt, insbesondere bei der Suche nach einer hypothetischen neuen Kraft zwischen Elektronen und Neutronen.
Isotope sind Varianten eines Atoms eines bestimmten chemischen Elements, die sich nur durch die Anzahl der Neutronen im Kern unterscheiden. Der entsprechende Massenunterschied der Kerne führt zu einer winzigen Verschiebung der Frequenzen elektronischer Übergänge. Ein klassisches Instrument zur Analyse dieser Isotopieverschiebungen ist der so genannte King-Plot: Unter Berücksichtigung der bekannten Effekte der Kernmasse und der endlichen Kerngröße ergibt sich eine lineare Beziehung zwischen den Isotopieverschiebungen verschiedener Übergänge, die gegeneinander aufgetragen werden. Aufgrund der enormen Fortschritte in der Genauigkeit der Atomspektroskopie können selbst winzige Nichtlinearitäten in einem King-Plot auf neue Wechselwirkungen hinweisen, die über die Beschreibung des Standardmodells hinausgehen.
In einer aktuellen Studie über Isotopenverschiebungen in Calcium-Ionen haben Physiker:innen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), der ETH Zürich, der University of New South Wales (UNSW) und des MPIK ihre Anstrengungen und ihr spezifisches Fachwissen in Experiment und Theorie auf der Suche nach neuer Physik gebündelt. Die Isotopieverschiebungen in hochgeladenen Ca14+-Ionen wurden an der PTB mit einer im Rahmen einer Kollaboration von MPIK (Abteilung Pfeifer) und PTP entwickelten Apparatur gemessen. Die Messungen für einfach geladene Ca+-Ionen erfolgten an der ETH mit einer linearen Paul-Falle. Ein weiterer wesentlicher Bestandteil der Analyse sind die Isotopen-Massenverhältnisse, die am MPIK durch hochpräzise Massenspektroskopie (Abteilung Blaum) in Kombination mit Atomstrukturrechnungen (Abteilung Keitel) bestimmt wurden.
Nach Zusammenführung aller Ergebnisse für fünf stabile Calciumisotope fanden die Forschenden eine hochsignifikante Nichtlinearität im King-Plot. Diese lässt sich nur teilweise durch Beiträge höherer Ordnung zur Isotopieverschiebung erklären. Als weiterer Effekt könnte die wenig untersuchte Kernpolarisation die verbleibende Diskrepanz erklären. Unter Einbeziehung der derzeitigen theoretischen Unsicherheiten innerhalb des Standardmodells ergeben sich so strengere Grenzen für die Eigenschaften einer hypothetischen neuen Art von Wechselwirkung . Diese könnten durch die Einbeziehung von Isotopenverschiebungen für einen dritten Übergang, der derzeit an der ETH untersucht wird, noch verbessert werden.
Originalpublikation
Nonlinear calcium King plot constrains new bosons and nuclear properties
Alexander Wilzewski, Lukas J. Spieß, Malte Wehrheim, Shuying Chen, Steven A. King, Peter Micke, Melina Filzinger, Martin R. Steinel, Nils Huntemann, Erik Benkler, Piet O. Schmidt, Luca I. Huber, Jeremy Flannery, Roland Matt, Martin Stadler, Robin Oswald, Fabian Schmid, Daniel Kienzler, Jonathan Home, Diana P.L. Aude Craik, Menno Door, Sergey Eliseev, Pavel Filianin, Jost Herkenhoff, Kathrin Kromer, Klaus Blaum, Vladimir A. Yerokhin, Igor A. Valuev, Natalia S. Oreshkina, Chunhai Lyu, Sreya Banerjee, Christoph H. Keitel, Zoltán Harman, Julian C. Berengut, Anna Viatkina , Jan Gilles , and Andrey Surzhykov, Michael K. Rosner and José R. Crespo López-Urrutia, Jan Richter, Agnese Mariotti and Elina Fuchs
Phys. Rev. Lett. 134, 233002, (2025), DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.233002
Weblinks:
Gruppe 'Dynamik hochgeladener Ionen' am MPIK
Gruppe 'Ionic Quantum Dynamics and High-Precision Theory' am MPIK
Gruppe 'Exotic Quantum Systems' am MPIK
