Präzisionsmessung: Physiker stellen Theorie infrage
An der Oberfläche von Atomkernen des Elements Wismut existieren so starke Magnetfelder wie sonst nur an der Oberfläche gewaltiger Neutronensterne. Unter der Leitung der Technischen Universität Darmstadt untersuchten Wissenschaftler mit münsterscher Beteiligung nun das Verhalten von Elektronen in diesen Feldern – mit einem überraschenden Ergebnis: Das Team wies mit hoch präzisen Messungen eine unerwartet große Diskrepanz zwischen dem experimentellen Ergebnis und einer aus der zugrunde liegenden physikalischen Theorie abgeleiteten Prüfgröße, der sogenannten "spezifischen Differenz", nach. Eigentlich soll diese Größe helfen, Eigenschaften der Elektronen sowie die Zustände, in denen das Atom existieren kann, genau zu berechnen. Die neue Studie deutet jedoch darauf hin, dass das bisherige Verständnis des Wechselspiels von Elektron und Atomkern fehlerhaft sein könnte.
An der Studie, die in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature Communications" online veröffentlicht ist, waren Physiker der WWU Münster um Dr. Volker Hannen und Prof. Dr. Christian Weinheimer beteiligt. Sie entwickelten einen Bestandteil des hoch komplexen Versuchsaufbaus, der am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt steht: Für den sogenannten Experimentierspeicherring, der einen Umfang von 108 Metern hat und in dessen Inneren Ionen mit unvorstellbar hohen Geschwindigkeiten von etwa 70 Prozent der Lichtgeschwindigkeit kreisen (mehrere Millionen Umläufe pro Sekunde), entwickelten sie ein spezielles "Spiegel- und Einzelphotonen-Nachweissystem". Damit können die Experten selbst einzelne Photonen ("Lichtteilchen"), die bei atomaren Übergängen in den hochgeladenen Ionen entstehen, effizient nachweisen.
Originalpublikation:
Ullmann J et al. (2017): High precision hyperfine measurements in bismuth challenge bound-state strong-field QED. Nature Communications; DOI 10.1038/NCOMMS15484