Muonisches Lineal: Kerne vermessen, fundamentale Wechselwirkungen testen

Vor einem halben Jahrhundert entdeckten Physiker und Physikerinnen, dass alle bekannten Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen einer klaren Reihe von Regeln folgen, die als Standardmodell der Teilchenphysik bekannt sind. Die Entwicklung dieses Modells erforderte sorgfältige Vergleiche zwischen Experimenten und früheren Theorien, um Effekte zu identifizieren, die nicht ganz passten und neue Erklärungen benötigten. Auf diese Weise konnte die Quantenelektrodynamik (QED) — ein wichtiger Pfeiler des Standardmodells — die Diskrepanzen zwischen Theorie und Experiment in den Energieniveaus des Wasserstoffatoms auflösen.

Aber auch das Standardmodell ist nicht in Stein gemeisselt. Es beantwortet zwar viele Fragen über das Universum, aber nicht alle. Wir wissen immer noch nicht, warum es mehr Materie als Antimaterie gibt oder was dunkle Energie ist. Innerhalb der derzeitigen Präzision der Experimente und theoretischen Berechnungen bleibt das Standardmodell aber gültig. Eine Möglichkeit, nach neuer Physik jenseits des Standardmodells zu suchen, ist die Kollision von Elementarteilchen bei sehr hohen Energien, in der Hoffnung, neue Teilchen zu entdecken. Dies tun die Forschenden am Large Hadron Collider. Ein anderer Ansatz konzentriert sich auf hochpräzise Messungen in Atomen. Deren Energie ist zu gering, um direkt neue Teilchen zu erzeugen, aber die Eigenschaften der Atome, wie z.B. die Energieniveaus, können durch neue Teilchen oder Wechselwirkungen leicht beeinflusst werden. Wenn die Eigenschaften der Atome mit einer sehr hohen Präzision gemessen werden, können Diskrepanzen zum Standardmodell aufgedeckt werden.

Dieser Niedrigenergieansatz wird von Prof. Dr. Aldo Antognini am PSI und der ETH Zürich verfolgt. Sein Team führt hochpräzise Messungen der Grösse von Atomkernen durch. Diese Werte sind unglaublich klein, etwa 10’000-mal kleiner als die Grösse eines Atoms. Wäre ein Atom so gross wie ein Lastwagen, wäre sein Kern nicht grösser als ein Mohnsamen. Solche winzigen Werte mit hoher Präzision zu messen, ist eine grosse Herausforderung.

Um diese Herausforderung zu meistern, nutzt das Team von Prof. Antognini eine einzigartige Einrichtung am PSI: einen Strahl negativ geladener Myonen. Myonen sind ähnlich wie Elektronen, aber 200-mal schwerer. Wenn ein Atom mit Myonen beschossen wird, werden alle seine Elektronen weggeschlagen. Stattdessen wird ein Myon vom Kern eingefangen, wodurch ein myonisches Ion entsteht — ein Zweikörpersystem mit einem einzigen Myon, das um einen Kern kreist. „Die Einfachheit dieses Systems ermöglicht es uns, so präzise Messungen durchzuführen“, sagt Prof. Antognini. Da Myonen so schwer sind, kreisen sie viel näher am Kern und sind daher empfindlicher für dessen Eigenschaften — insbesondere für seinen Ladungsradius. Durch die Messung von Energieübergängen in diesen Myonen-Ionen bestimmt das Team die Kernradien etwa zehnmal genauer als mit anderen Methoden.

Nach seinen bahnbrechenden Radiusmessungen für die Wasserstoff- und Deuteriumkerne vor einem Jahrzehnt wandte sich Prof. Antognini einem komplexeren Kern zu — Helium. Innerhalb der grossen Kernfamilie sind Wasserstoff (mit nur einem Proton) und Deuterium (ein Proton und ein Neutron) die leichtesten Mitglieder. Helium-3 und Helium-4 sind ihre schwereren Cousins: Helium-4 hat zwei Protonen und zwei Neutronen, während Helium-3 leichter ist und ein Neutron weniger hat. Vor vier Jahren hat Prof. Antognini den Radius von Helium-4 gemessen; jetzt hat er mit den neu veröffentlichten Ergebnissen für Helium-3 das Familienporträt vervollständigt — ein vollständiger Satz von Radiusmessungen für die leichtesten Kerne, von Wasserstoff bis Helium.

Die allmähliche Zunahme der Komplexität von Kernen mit einer bis vier wechselwirkenden Komponenten ist ideal, um die moderne ab initio Kerntheorie zu testen. Die Kerntheorie ist von den Symmetrien des Standardmodells abgeleitet. Wie in der klassischen Mechanik sind zwei wechselwirkende Körpern einfacher zu beschreiben. Sobald jedoch drei oder mehr Teilchen beteiligt sind, werden die Berechnungen komplexer. Das berühmte Dreikörperproblem in der Mechanik, für das es keine allgemeine Lösung gibt, inspirierte sogar den Science-Fiction-Roman «The Three-Body Problem» von Liu Cixin. Auch der Übergang von Wasserstoff zu Helium erhöht die Komplexität und stellt die Theorie der Kernphysik auf eine härtere Probe. Der Vergleich der Vorhersagen mit den präzisen Messungen von Prof. Antognini wird zeigen, wie gut die Theorie mit diesen komplizierteren Systemen umgehen kann.

Die Kenntnis des Kernradius ist auch für den Test der Quantenelektrodynamik (QED) in Atomen unerlässlich. Die Energieniveaus der Elektronen werden durch die Quantenmechanik vorhergesagt, die durch die QED ergänzt wird. Die QED beschreibt die Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen auf Quantenebene durch den Austausch von Photonen. Darüber hinaus hängen die Energieniveaus geringfügig von der Kerngrösse ab. Wenn der Radius des Kerns bekannt ist, kann sein Beitrag zu den Energieniveaus gut kontrolliert werden, was einen genauen Vergleich zwischen QED-Theorie und Experiment ermöglicht.

Neue Messungen der Helium-3- und Helium-4-Radien sind besonders wichtig im Hinblick auf ein neues Rätsel: eine erhebliche Diskrepanz zwischen den theoretischen Energieniveaus in Heliumatomen und ihren Messungen, die in der Gruppe von Frédéric Merkt an der ETH Zürich durchgeführt wurden. Das Heliumatom mit seinen zwei Elektronen und einem Kern ist ein Dreikörpersystem, und die Berechnung all seiner QED-Beiträge ist eine grosse Herausforderung für Theoretiker. Es ist noch zu früh, um zu behaupten, dass die Messungen am Heliumatom nicht mit den Vorhersagen des Standardmodells übereinstimmen, aber mit Sicherheit helfen solche Vergleiche, die Theorie der atomaren Energieniveaus und der QED im gebundenen Zustand voranzutreiben.

Der Weg von der Messung des Protonenradius bis zur Bestimmung der Radien der beiden Heliumkerne dauerte für das Team von Prof. Antognini 15 Jahre. Jedes Experiment war ein separates Projekt, das die Entwicklung neuer Werkzeuge und neuer Wege zur Interaktion mit dem System erforderte. „Es ist nicht so, dass wir einfach das Gas gewechselt haben, als wir vom Wasserstoff-Experiment zum Helium-Experiment übergingen“, sagt Aldo Antognini. „Wir mussten zum Beispiel ein völlig neues Lasersystem entwickeln.“ Laser sind entscheidend für die Messung der Energieniveaus in Myonen-Ionen. Wenn ein Myon von Licht mit der gleichen Frequenz wie ein Übergang zwischen zwei Niveaus getroffen wird, springt es auf ein energiereicheres Niveau und kehrt dann in den Grundzustand zurück, wobei es Röntgenstrahlen aussendet. Durch die Justierung der Laserfrequenz und der Messung des starken Röntgensignal kann Prof. Antognini Übergänge zwischen Energieniveaus genau bestimmen.

Mit dem Zugang zu einem einzigartigen Myonenstrahl am PSI wollen Prof. Antognini und sein Team nicht bei der Messung des Kernladungsradius stehen bleiben. Als nächstes wollen sie die magnetischen Eigenschaften von Kernen messen. Das könnte neue Möglichkeiten bringen, die Kerntheorie und die Auswirkungen der magnetischen Eigenschaften von Kernen auf die Energieniveaus von Elektronen, die Hyperfeinwechselwirkung, zu überprüfen. Schliesslich könnte der Vergleich von Messungen in Myonenatomen und in normalen „elektronischen“ Atomen möglicherweise Myonen-spezifische Wechselwirkungen aufdecken, die über das Standardmodell hinausgehen.

Aleksandra Nelson