Was passiert mit einem Elektron, wenn es sich im magnetischen Feld eines schweren Atomkerns wie Wismut befindet? Und lässt sich dieses Verhalten mit der Quantenelektrodynamik (QED) genau vorhersagen? Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung der TU Darmstadt ist jetzt ein entscheidender Test gelungen – und zwar unter extremsten Bedingungen.
Magnetfelder wie auf einem Neutronenstern
Schwere Atomkerne wie Blei oder Wismut erzeugen an ihrer Oberfläche Magnetfelder, die milliardenfach stärker sind als das Erdmagnetfeld. In dieser Umgebung bewegen sich Elektronen auf engem Raum – ein ideales Testfeld für die Theorien der modernen Physik. Wasserstoffartige Ionen, bei denen nur ein Elektron an den Kern gebunden ist, eignen sich besonders gut für theoretische Vorhersagen.
Das Forschungsteam um den HFHF-Wissenschaftler Wilfried Nörtershäuser konzentrierte sich auf das radioaktive Isotop Bi-208, das sich nur schwer erzeugen lässt. Im Experimentierspeicherring ESR bei GSI/FAIR gelang es, aus einer Kernreaktion dieses Ion zu isolieren. Hierfür mussten 82 der 83 Elektronen aus dem Kern extrahiert werden, was natürlich dazu führt, dass man viel weniger Teilchen im Beschleuniger und eine deutlich geringere Statistik zur Verfügung hat – eine besondere Herausforderung an die Detektoren und Beschleuniger.
Das verbleibende Elektron in diesem Ion wurde mithilfe eines Laserstrahls angeregt – vergleichbar mit dem Umklappen einer Kompassnadel. Die präzise Energie, bei der dieser Quantensprung erfolgt, ließ sich theoretisch vorhersagen – und wurde nun mit hoher Genauigkeit gemessen.
Präzision trifft Theorie
Dank einer früheren Studie am CERN und theoretischer Arbeiten u.a. der TU Darmstadt konnte die benötigte Laserwellenlänge mit außergewöhnlicher Genauigkeit vorausgesagt werden. Die exzellente Übereinstimmung mit dem Experiment liefert einen der präzisesten Tests der Quantenelektrodynamik in extrem starken Magnetfeldern und schließt frühere Unsicherheiten durch Kernstruktur-Effekte weitgehend aus.
Die Studie wurde im renommierten Fachjournal Nature Physics veröffentlicht und entstand unter Beteiligung der Universitäten Darmstadt, Münster, Jena, Gießen und der GSI/FAIR. Besonders hervorzuheben ist die Unterstützung durch die Helmholtz Forschungsakademie Hessen für FAIR (HFHF), die maßgeblich zur Förderung dieser Spitzenforschung beiträgt.
Das Ergebnis öffnet die Tür für weitere hochpräzise Tests an anderen Isotopen und Ladungszuständen. Damit liefert es nicht nur Bestätigung für die Quantentheorie, sondern auch neue Werkzeuge, um unsere Modelle der Atomkerne zu verfeinern – ein bedeutender Schritt in der Grundlagenforschung.