Voor de eerste keer, een team van onderzoekers onder leiding van TU Darmstadt is erin geslaagd de overgang tussen energieniveaus van de lithiumachtige ionen van bismut zo nauwkeurig te meten dat het mogelijk is geworden om onderliggende theorieën opnieuw te beoordelen. Dit heeft geleid tot een verrassend resultaat:het begrip van de interactie tussen een elektron en een atoomkern die we tot nu toe hebben gehad, kan onjuist zijn.

Aan het oppervlak van de kernen van bismutatomen, er bestaan ​​magnetische velden die anders alleen aanwezig zijn aan het oppervlak van massieve neutronensterren. Het gedrag van elektronen in deze velden is onderzocht door een groep onderzoekers onder leiding van de Technische Universität Darmstadt. Pas onlangs hebben ze een doorbraak bereikt door voor het eerst een bijzondere overgang in lithiumachtige ionen van dit element waar te nemen.

Ze zijn er nu in geslaagd om deze overgang op het GSI Helmholtzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt met zo'n precisie te meten dat het voor het eerst mogelijk was om de onderliggende theorie opnieuw overtuigend te beoordelen. In het laatste nummer van het vakblad Natuurcommunicatie , de wetenschappers doen verslag van hun verrassende resultaat:de discrepantie tussen de theorie en het experiment is opvallend. Het suggereert een fout in ons begrip van hoe een elektron interageert met de complexe innerlijke structuur van een kern.

Eenvoudige atomen bestaande uit een enkele kern en een of enkele elektronen zijn ideale systemen om ons begrip van de onderliggende fysieke krachten die op het spel staan ​​te controleren. We hebben een beter begrip van de theorie van de elektronenschil van het atoom op basis van kwantumelektrodynamica (QED) dan van de feitelijke structuur van de atoomkern. Met QED kunnen de eigenschappen van de elektronen en de toestanden waarin het atoom kan bestaan ​​met grote nauwkeurigheid worden berekend. Deze berekeningen worden vervolgens gecontroleerd door middel van precisiemetingen. Daten, QED heeft al deze tests met vlag en wimpel doorstaan.

Bij het gebruik van zware kernen, de wetenschappers zijn vooral geïnteresseerd in de invloed van de gigantische elektrische en magnetische velden op de in de schil gebonden elektronen. Er zijn slechts zeer weinig experimentele verificaties van deze theorie uitgevoerd onder deze extreme omstandigheden, en ze vertonen bij lange na niet dezelfde nauwkeurigheid als de experimenten met lichte kernen. De sterke velden maken de theoretische berekeningen veel moeilijker. In aanvulling, de complexe binnenstructuur van de kernen is niet met voldoende precisie bekend, hoewel deze een sterke invloed heeft op de atomaire schaal.

Om deze moeilijkheid te omzeilen, theoretici berekenen bepaalde verschillen voor systemen met verschillende aantallen elektronen, maar met dezelfde atoomkern. Deze zogenaamde "specifieke verschillen" zijn van dien aard dat de bijdragen van de structuur van de kern zichzelf bijna exact zouden moeten elimineren en dat ze door de onderzoekers kunnen worden gebruikt als uitgangspunt om de QED-berekeningen nauwkeuriger te controleren. De resultaten die nu zijn gepubliceerd, echter, lijken het concept van specifiek verschil in twijfel te trekken.

Onderzoek aan de Opbergring ESR

In zijn proef, het team genereerde eerst waterstofachtige en lithiumachtige bismut-ionen. Deze ionen werden geïnjecteerd in de experimentele opslagring (ESR) bij de GSI-versnellerfaciliteit die een omtrek van 108 m heeft en is uitgerust met twee rechte secties waar experimenten kunnen worden uitgevoerd. In een van die rubrieken een elektronenbundel van gedefinieerde energie wordt gesuperponeerd op de ionenbundel. Na een paar seconden, de snelheid van de ionen past zich aan die van de elektronen aan. In deze sectie, een gepulste laserstraal is, in aanvulling op, gesuperponeerd met de ionenbundel. De golflengte van de laser wordt vervolgens in kleine stappen gewijzigd. Wanneer de laser precies de golflengte bereikt van de overgang van het te onderzoeken ion, de ionen absorberen lichtdeeltjes (fotonen) – en dus energie – uit de laserstraal. Ionen die op deze manier worden aangeslagen, geven deze energie na korte tijd vrij, waardoor een zeer klein aantal fotonen wordt uitgezonden.

Dit kleine aantal fotonen werd efficiënt gedetecteerd door middel van een speciaal spiegel- en enkelfotondetectiesysteem dat werd ontwikkeld aan de Universiteit van Münster. Door de hoge snelheid de golflengte van de laser wordt gecomprimeerd of uitgerekt met een factor van ongeveer 2,4, voor een contrapropagerende of een copropagerende laser, respectievelijk. Deze factor is afhankelijk van de versnellingsspanning van de elektronen. Om deze hoogspanning van ongeveer 214 te meten, 000 volt met een nauwkeurigheid in de orde van 1 V, een hoogspanningsdeler ontwikkeld bij PTB in Braunschweig werd gebruikt. Wetenschappers van de TU Darmstadt waren verantwoordelijk, onder andere voor de data-acquisitie en de tijdsafhankelijke synchronisatie van de laserpulsen, die slechts een paar miljardste van een seconde (nanoseconden) duren met de omwenteling van de ionen in de opslagring. Ze analyseerden ook de gegevens.

Het specifieke verschil in de overgangsgolflengten gemeten in waterstofachtig en lithiumachtig bismut komt niet overeen met de theoretische voorspelling, zelfs wanneer alle bekende bronnen van systematische fouten in aanmerking worden genomen. De oorzaak van deze afwijking is nog niet bekend en moet worden onderzocht in het kader van verdere metingen met andere isotopen van bismut. Deze isotopen zijn echter, radioactief en moet daarom worden geproduceerd voordat het in de opslagring wordt geïnjecteerd. Deze mogelijkheden zijn verkrijgbaar bij het GSI Helmholtzentrum. De nieuwe acceleratievoorziening, KERMIS, waarvan de bouw in Darmstadt spoedig zal beginnen, biedt nieuwe mogelijkheden voor verder onderzoek naar dit onderwerp.