Überprüfung der Quantenelektrodynamik in extremen Feldern mit dem schwersten Zwei-Elektronen-Ion

Abb. 1: Zeichnung eines der beiden Bragg-Kristall-Spektrometer am Gasjet-Target des ESR zur Messung des Intra-Schalen-Übergangs in He-ähnlichem Uran (linkes Feld). Illustration von Helium-ähnlichem Uran mit den Starkfeld-QED-Effekten, dargestellt durch Feynman-Diagramme. Im Hintergrund ist ein Röntgenbild des gemessenen Übergangs zu sehen (rechtes Feld).

 

Die Quantenelektrodynamik (QED) beschreibt Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie, und ist ein wichtiger Pfeiler des Standard-Modells. Sie mit hoher Präzision, insbesondere im Bereich extrem hoher elektromagnetischer Felder, zu testen, ist daher von Bedeutung sowohl für die Grundlagenforschung, als auch für Anwendungen, wie neue Frequenzstandards.

Derzeit basieren die meisten rigorosen Überprüfungen der QED auf sehr präzisen Untersuchungen, die im Bereich relativ geringer elektromagnetischer Feldstärken und leichter Atome und Ionen durchgeführt werden. Dort ermöglichen es störungstheoretische Methoden sehr effizient, die Effekte der QED zu beschreiben. Im Bereich der extremen Felder schwerer Ionen bewegen sich die QED-Berechnungen hingegen in einem völlig anderen, nicht-störungstheoretischen Bereich (in Bezug auf die Kernladung), was genaue theoretische Vorhersagen erheblich erschwert. Gleichzeitig sind Experimente in diesem Bereich ebenfalls äußerst anspruchsvoll, so dass QED-Tests in starken Feldern derzeit noch nicht mit der hohen Präzision erreicht werden konnten, wie sie für leichte Atome erzielt wird. Für den Bereich der schwersten Ionen sind somit neue Überprüfungen zwingend erforderlich. Dort sind die gebundenen Elektronen dem extrem starken elektromagnetischen Feld des schweren Kerns ausgesetzt, das die Feldstärken der intensivsten heute verfügbaren Laser um mehrere Größenordnungen überschreitet.

Die GSI/FAIR-Beschleunigeranlage verfügt derzeit über die weltweit einzigartige Möglichkeit selbst schwerste Ionen in beliebigen Ladungszuständen zu erzeugen und in dem dedizierten Speicherring ESR zu speichern und zu kühlen.

Kürzlich hat ein internationales Forschungsteam eine höchst präzise röntgenspektroskopische Messung an Helium-artigem Uran, dem einfachsten und schwersten mehrelektronischen atomaren System, durchgeführt. Ein spezielles Bragg-Kristallspektrometer wurde konstruiert und an der Gas-Jet-Wechselwirkungs-Kammer des ESR installiert (s. Abb. 1). Eine neue Kalibrationsmethode und weitere Verbesserungen führten zu einer Messgenauigkeit bei Übergangsenergien von 37 Teilen in einer Million, fast eine Größenordnung besser, als in früheren Versuchen. Dies ermöglicht den ersten Test von QED-Effekten höherer Ordnung in einem Helium-artigen Ion mit hohem Z, und setzt einen neuen wegweisenden Maßstab für die Theorie.

Abb. 2: Vergleich unseres experimentellen Ergebnisses für den Intra-Schalen-Übergang in He-ähnlichem Uran mit der vorherigen Messung und mit Vorhersagen verschiedener theoretischer Modelle (linkes Feld). Unterschiedliche Beiträge, darunter Zwei-Schleifen- und Zwei-Elektronen-QED-Effekte, zur Gesamtenergie der Intra-Schalen-Übergänge in He-ähnlichem Uran im Vergleich mit unserer experimentellen Genauigkeit (rechtes Feld).