Präzision bis zur dreizehnten Nachkommastelle

Experimente im Wasserstoff liefern den bislang genauesten Test der Quantenelektrodynamik in Atomen und lösen ein prominentes Puzzle

Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben einen der bislang genauesten Tests des Standardmodells der Teilchenphysik durchgeführt. Mithilfe hochauflösender Wasserstoffspektroskopie bestätigten sie die theoretischen Vorhersagen bis auf über zwölf Nachkommastellen. Die Messung liefert zudem einen präzisen Wert für den Protonenradius und löst das seit Jahren diskutierte „Protonenradius-Rätsel“. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Nature veröffentlicht.

Die Quantenelektrodynamik (QED) bildet die Grundlage aller Quantenfeldtheorien, auf denen das Standardmodell der Teilchenphysik aufbaut und auf die sich unser fundamentales Naturverständnis stützt. Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt allerdings nur etwa fünf Prozent des gesamten Energie-Materie-Inhalts des Universums – die "sichtbare Materie", z.B. Protonen, Neutronen und Elektronen, aus denen Atome und Moleküle bestehen.

Über 95% des Universums, bestehend aus „dunkler Materie“ und „dunkler Energie“, bleiben nach wie vor rätselhaft und könnten mit bisher unbekannten Naturgesetzen, Wechselwirkungen oder Teilchen verbunden sein – die sogenannte „neue Physik“: „Winzige beobachtete Abweichungen vom Erwarteten können in der Physik zu enormen Veränderungen in unserem Weltbild führen,“ erklärt MPQ-Direktor Theodor Hänsch.  Mit ultragenauen Tests der QED will die Forschung der Suche nach dieser „neuen Physik“ näher rücken. Auch wenn keine Abweichungen gefunden werden, ist der Erkenntniswert hoch: bestimmte hypothetische Teilchen und Wechselwirkungen lassen sich dann ausschließen.

Präzisionsspektroskopie im Wasserstoff

Einem Forschungsteam am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) ist es nun gelungen, den bislang genauesten Test der Quantenelektrodynamik in Atomen durchzuführen. Sie untersuchten den 2S-6P-Übergang im Wasserstoff und überprüften die Theorie auf über zwölf Nachkommastellen – ein Präzisionsniveau, das nur durch das Zusammenspiel von Experiment, Theorie und Computersimulationen möglich war. „Die besondere Herausforderung bestand darin, trotz der sehr großen natürlichen Breite des Übergangs die Präzision von über zwölf signifikanten Stellen zu erreichen. Das ist so, als ob man die Distanz zum Weltraum mit einem Meterstab auf etwa die Größe eines Grippevirus genau messen würde,“ erklärt der Erstautor der Studie, Lothar Maisenbacher.

Die größte Schwierigkeit stellt die sogenannte Doppler-Verschiebung dar, ein Phänomen, das auch im Alltag bekannt ist: Die Sirene eines Krankenwagens klingt anders, je nachdem, ob sich das Fahrzeug nähert oder entfernt. Ähnlich variiert für die Atome die Frequenz des Laserlichts abhängig von ihrer relativen Geschwindigkeit zum Laserstrahl. Die Wasserstoffatome werden auf -268 °C heruntergekühlt, bewegen sich bei dieser Temperatur aber immer noch so schnell wie ein Verkehrsflugzeug. Würden die Atome mit dieser Geschwindigkeit direkt auf das Laserlicht treffen, würde die Messung der Übergangsfrequenz bereits auf der sechsten Nachkommastelle beeinflusst.

Um die störende Doppler-Verschiebung zu unterdrücken, setzen die Wissenschaftler zwei gegenläufige Laserstrahlen ein. Ein Strahl trifft die Atome, die auf ihn zufliegen, der andere die sich entfernenden. Beim Mittelwert gleichen sich die Effekte der Verschiebung aus – ähnlich wie bei zwei Krankenwagen, deren überlagernde Sirenen sich ausgleichen. Voraussetzung ist dabei die perfekte Spiegelung der Laserstrahlen: „Die Entwicklung einer solchen optischen Anordnung für die violette Wellenlänge des 2S-6P-Übergangs war eine große Herausforderung, an der wir mehrere Jahre gearbeitet haben“, erinnert sich der Zweitautor, Vitaly Wirthl.

Die gegenläufigen Strahlen erzeugen aber auch eine stehende Lichtwelle, die eine „Lichtkraft-Verschiebung“ verursacht. „Hier kommt die Quantenoptik ins Spiel: Die Atome werden in Überlagerungszustände gebracht und ‚spüren‘ gleichzeitig Knoten und Bäuche der Lichtwelle“, erklärt Wirthl. Dieser Effekt tritt erst auf der zwölften Nachkommastelle auf, musste aber verstanden werden, um die nächste Zahl dahinter zu messen.

Protonenradius-Puzzle entschlüsselt

Die Messung des MPQ-Forschungsteams zeigte eine perfekte Übereinstimmung von Experiment und Theorie. Neue Wechselwirkungen oder bisher unbekannte Teilchen lassen sich bis auf eine sehr kleine Obergrenze ausschließen.

Die Messungen liefern zudem ultrapräzise Werte für zwei Naturkonstanten, die als Parameter in die Theorie eingehen: den Protonenradius und die Rydberg-Konstante. Der neue Protonenradius stimmt mit den Messungen des sogenannten myonischen Wasserstoffs überein – Wasserstoff, in dem das Elektron durch ein Myon ersetzt ist. Frühere Vergleiche zwischen gewöhnlichem (elektronischem) und myonischem Wasserstoff zeigten Diskrepanzen und hatten das sogenannte "Protonenradius-Rätsel" ausgelöst. Die neue Messung kann die Diskrepanz erstmals signifikant – auf mehr als fünf Standardabweichungen – ausschließen.

 Auf der Suche nach „neuer Physik“

„Mit dieser Messung können wir das Protonenradius-Puzzle hinter uns lassen und uns auf den Test der QED und des Standardmodells konzentrieren. Die Theorien haben auch diesen sehr präzisen Test bestanden, aber wir wissen, dass sie nicht die ganze Wahrheit sind. Besonders spannend ist, dass wir zum ersten Mal sehr kleine, äußerst interessante Korrekturen sehen, die aus der Interaktion mit komplexeren Teilchen, sogenannten Hadronen, stammen,“ so Lothar Maisenbacher.

Auch Direktor Theodor Hänsch betont die Bedeutung der Arbeit: „Präzisionsspektroskopie am Wasserstoffatom war über mehr als fünfzig Jahre ein spannendes Abenteuer, das Erfindungen wie das Laser-Kühlen atomarer Gase und die Laser-Frequenzkammtechnik inspiriert hat.“

Die in der Arbeit vorgestellten Techniken lassen sich auf andere Übergänge in Wasserstoff und Deuterium übertragen, was den Weg zu noch strengeren Tests des Standardmodells und zu verbesserten Einschränkungen möglicher neuer Kräfte oder Teilchen ebnen wird: „Ich finde es besonders spannend zu untersuchen, ob das Standardmodell bei dieser Präzision im schweren Wasserstoff (Deuterium) auch stimmt. Denn der Kern der Deuterium-Atome hat einen ungeladenen Anteil, der sich ganz anders mit hypothetischen bisher unentdeckten Teilchen oder Wechselwirkungen verhalten könnte,“ erklärt Vitaly Wirthl abschließend.