Met behulp van een nieuw ontwikkelde techniek hebben wetenschappers van het Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) in Heidelberg het zeer kleine verschil in de magnetische eigenschappen van twee isotopen van sterk geladen neon in een ionenval gemeten met voorheen onbereikbare nauwkeurigheid. Vergelijking met even uiterst nauwkeurige theoretische berekeningen van dit verschil maakt een test op recordniveau van kwantumelektrodynamica (QED) mogelijk. De overeenstemming van de resultaten is een indrukwekkende bevestiging van het standaardmodel van de fysica, waardoor conclusies kunnen worden getrokken over de eigenschappen van kernen en het stellen van limieten voor nieuwe fysica en donkere materie.

Elektronen zijn enkele van de meest fundamentele bouwstenen van de materie die we kennen. Ze worden gekenmerkt door een aantal zeer onderscheidende eigenschappen, zoals hun negatieve lading en het bestaan ​​van een zeer specifiek intrinsiek impulsmoment, ook wel spin genoemd. Als een geladen deeltje met spin heeft elk elektron een magnetisch moment dat zichzelf uitlijnt in een magnetisch veld dat lijkt op een kompasnaald. De sterkte van dit magnetische moment, gegeven door de zogenaamde g-factor, kan met buitengewone nauwkeurigheid worden voorspeld door kwantumelektrodynamica. Deze berekening komt tot op 12 cijfers overeen met de experimenteel gemeten g-factor, een van de meest nauwkeurige overeenkomsten van theorie en experiment in de natuurkunde tot nu toe. Het magnetische moment van het elektron verandert echter zodra het geen "vrij" deeltje meer is, d.w.z. onaangetast door andere invloeden, maar gebonden is aan bijvoorbeeld een atoomkern. De kleine veranderingen van de g-factor kunnen worden berekend met behulp van QED, die de interactie tussen elektron en kern beschrijft in termen van een uitwisseling van fotonen. Zeer nauwkeurige metingen maken een gevoelige test van deze theorie mogelijk.

"Met ons werk zijn we er nu in geslaagd om deze QED-voorspellingen met ongekende resolutie te onderzoeken, en gedeeltelijk voor het eerst", meldt groepsleider Sven Sturm. "Om dit te doen, hebben we gekeken naar het verschil in de g-factor voor twee isotopen van sterk geladen neon-ionen die slechts één enkel elektron bezitten." Deze zijn vergelijkbaar met waterstof, maar met een 10 keer hogere nucleaire lading, waardoor de QED-effecten worden versterkt. Isotopen verschillen alleen in het aantal neutronen in de kern als de kernlading hetzelfde is. ²⁰ Ne ⁹⁺ en ²² Ne ⁹⁺ met respectievelijk 10 en 12 neutronen werden onderzocht.

Het ALPHATRAP-experiment aan het Max Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg biedt een speciaal ontworpen Penning-val om afzonderlijke ionen op te slaan in een sterk magnetisch veld van 4 Tesla in een bijna perfect vacuüm. Het doel van de meting is om de energie te bepalen die nodig is om de richting van de "kompasnaald" (spin) in het magnetische veld om te draaien. Hiervoor wordt gezocht naar de exacte frequentie van de microgolfexcitatie die hiervoor nodig is. Deze frequentie hangt echter ook af van de exacte waarde van het magnetische veld. Om dit te bepalen, maken de onderzoekers gebruik van de beweging van ionen in de Penning-trap, die ook afhankelijk is van het magnetische veld.

Ondanks de zeer goede temporele stabiliteit van de hier gebruikte supergeleidende magneet, beperken onvermijdelijke kleine fluctuaties van het magnetische veld eerdere metingen tot een nauwkeurigheid van ongeveer 11 cijfers.

Het idee van de nieuwe methode is om de twee te vergelijken ionen op te slaan, ²⁰ Ne ⁹⁺ en ²² Ne ⁹⁺ tegelijkertijd in hetzelfde magnetische veld in een gekoppelde beweging. Bij zo'n beweging draaien de twee ionen altijd tegenover elkaar op een gemeenschappelijk cirkelvormig pad met een straal van slechts 200 micrometer", legt Fabian Heiße, Postdoc bij het ALPHATRAP-experiment, uit.

Hierdoor hebben de fluctuaties van het magnetische veld vrijwel identieke effecten op beide isotopen, zodat er geen invloed is op het verschil van de gezochte energieën. In combinatie met het gemeten magnetische veld konden de onderzoekers het verschil van de g-factoren van beide isotopen met recordnauwkeurigheid tot 13 cijfers bepalen, een verbetering met een factor 100 vergeleken met eerdere metingen en dus de meest nauwkeurige vergelijking van twee g -factoren wereldwijd. De hier bereikte resolutie kan als volgt worden geïllustreerd:Als de onderzoekers in plaats van de g-factor de hoogste berg van Duitsland, de Zugspitze, met zo'n precisie hadden gemeten, zouden ze individuele extra atomen op de top kunnen herkennen door de hoogte van de berg.

De theoretische berekeningen werden met vergelijkbare nauwkeurigheid uitgevoerd in de afdeling van Christoph Keitel bij MPIK. "In vergelijking met de nieuwe experimentele waarden hebben we bevestigd dat het elektron inderdaad interageert met de atoomkern via de uitwisseling van fotonen, zoals voorspeld door QED", legt groepsleider Zoltán Harman uit. Dit is nu voor het eerst opgelost en met succes getest door de verschilmetingen op de twee neonisotopen. Als alternatief, ervan uitgaande dat de QED-resultaten bekend zijn, maakt het onderzoek het mogelijk de kernstralen van de isotopen nauwkeuriger te bepalen dan voorheen mogelijk was met een factor 10.

"Omgekeerd stelt de overeenkomst tussen de resultaten van theorie en experiment ons in staat om nieuwe fysica te beperken tot voorbij het bekende standaardmodel, zoals de sterkte van de interactie van het ion met donkere materie", zegt postdoc Vincent Debierre.

"In de toekomst zou de hier gepresenteerde methode een aantal nieuwe en opwindende experimenten mogelijk kunnen maken, zoals de directe vergelijking van materie en antimaterie of de ultraprecieze bepaling van fundamentele constanten", zegt eerste auteur Dr. Tim Sailer. + Verder verkennen

Onderzoek naar de magnetische eigenschappen van helium-3