Een internationaal onderzoeksteam heeft met succes uiterst nauwkeurige röntgenspectroscopische metingen uitgevoerd aan heliumachtig uranium. Het team, dat bestaat uit onderzoekers van de Friedrich Schiller Universiteit Jena en het Helmholtz Instituut Jena (beide in Duitsland), heeft resultaten behaald die hun succes aantonen bij het ontwarren en afzonderlijk testen van kwantumelektrodynamische effecten met één elektron, twee lussen en twee elektronen op extreem sterke Coulomb-effecten. voor het eerst velden van de zwaarste kernen.

De onderzoekers hebben hun resultaten nu gepubliceerd in het tijdschrift Nature .

Het gepubliceerde artikel beschrijft fundamenteel onderzoek naar de eeuwenoude vraag wat onze wereld op het diepste niveau bij elkaar houdt. Dr. Robert Lötzsch, experimenteel natuurkundige aan het Instituut voor Optica en Kwantumelektronica van de Universiteit van Jena, zegt dat het bijzondere aan dit project is dat metingen zijn uitgevoerd aan de zwaarste stabiele atomen.

"Bij het meten van een waterstofatoom, dat het atoomnummer één heeft, kunnen we de elektronenovergangen nauwkeurig meten tot op 13 decimalen", zegt dr. Lötzsch. Hij legt uit dat voor uranium, dat het atoomnummer 92 heeft, nauwkeurige metingen zijn gedaan tot op vijf decimalen.

De meting richt zich op de overgang tussen verschillende banen. De experimenten vonden plaats in de experimentele opslagring GSI/FAIR in Darmstadt, een deeltjesversnellercomplex dat door verschillende Europese landen wordt gebruikt. Bij de recente metingen waren studiegroepen uit Polen, Frankrijk, Portugal en Duitsland betrokken onder leiding van Martino Trassinelli en Robert Lötzsch. Het Darmstadt-complex omvat een ionenopslagring met een omtrek van ruim 100 meter en een stroomopwaartse versneller die zich over een afstand van meer dan een kilometer uitstrekt.

Lötzsch beschrijft het experiment als volgt:Eerst worden vrije ionen geproduceerd. Om dit te bereiken wordt uranium verdampt en vervolgens enorm versneld tot ongeveer 40% van de lichtsnelheid. Het resulterende materiaal wordt vervolgens door een speciale film gevoerd, waarbij elektronen verloren gaan. De versnelde elektronen worden vervolgens naar een opslagring geleid, waar ze rond een cirkelvormig pad racen.

"De deeltjes flitsen tot 50 miljoen keer per seconde langs onze spectrometers, en af ​​en toe is er een elektronenovergang die we kunnen meten met een spectrometer", zegt Lötzsch. De speciale Bragg-kristalspectrometer die in het experiment werd gebruikt, werd gebouwd in Jena.

Het specifiek gebogen kristal ontwikkeld in Jena

De spil in de spectrometer, legt Lötzsch uit, is een specifiek gebogen kristal gemaakt van het element germanium. "Dit kristal is zo dun als een vel papier en wordt in een speciale glazen mal gehouden", zegt Lötzsch. Deze techniek vergt veel expertise en is ontwikkeld in Jena. Er wordt al meer dan 30 jaar onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van dergelijke meetapparatuur.

De door de onderzoeksgroep gepubliceerde resultaten zijn het resultaat van een experiment dat in 2021 werd uitgevoerd. De tests liepen tijdens Pasen drie weken lang onder omstandigheden die gecompliceerd waren door de COVID-19-pandemie. Toch is Lötzsch van mening dat de resultaten de moeite meer dan waard zijn.

Hij legt uit:"We hebben met succes getest of ons theoretisch inzicht ook van toepassing is op deze exotische niche van materialen." De resultaten, zegt hij, zullen daarom helpen ons begrip te vergroten van wat “de wereld op de diepste niveaus bij elkaar houdt.”

Meer informatie: R. Loetzsch et al, Kwantumelektrodynamica testen in extreme velden met behulp van heliumachtig uranium, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06910-y

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Friedrich Schiller Universiteit van Jena