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Helmholtz-Preis für den genauesten Test der Quantenelektrodynamik mit wasserstoffähnlichen Ionen

09.01.2012
Bedeutendster Preis der Metrologie geht an Sven Sturm, Anke Wagner und Klaus Blaum vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Wie magnetisch ist ein Atom, dem man fast alle seine Elektronen weggenommen hat? Für die Untersuchung dieser Frage, die tiefe Einblicke in die Struktur des Universums erlaubt, erhalten Sven Sturm, Anke Wagner und Prof. Dr. Klaus Blaum den diesjährigen Helmholtz-Preis für Präzisionsmessung. Der Preis wird am 27. März im Rahmen der Feierlichkeiten zum 125-jährigen Jubiläum der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig übergeben.

Die Forscher vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz untersuchen sogenannte wasserstoffähnliche Ionen; das sind Atome, denen alle Elektronen bis auf ein einziges entrissen wurden. Im Unterschied zu dem einzelnen Elektron eines Wasserstoffatoms ist das verbleibende Elektron in einem wasserstoffähnlichen Ion viel stärker an den atomaren Kern gebunden, da dieser eine vielfach größere elektrische Ladung hat als beim Wasserstoff.

Die drei Preisträger haben hochpräzise vermessen, wie magnetisch solch ein Elektron ist; diese Eigenschaft wird durch den g-Faktor beschrieben. Der g-Faktor lässt sich auch sehr genau berechnen, Grundlage ist die sogenannte Quantenelektrodynamik. Durch den hohen Ladungszustand des Kerns und das damit verbundene extrem große elektrische Feld in dessen unmittelbarer Nähe müssen bei der Berechnung Beiträge berücksichtigt werden, die unter anderen experimentellen Bedingungen nicht relevant wären. Der Vergleich von Messung und Berechnung ist ein Test der Theorie der elektromagnetischen Wechselwirkung auf bisher nicht dagewesenem Niveau – und die Quantenelektrodynamik hat wieder bestanden. Das Verständnis der fundamentalen Kräfte im Universum wurde so weiter verbessert.

Um diese Messungen durchzuführen, mussten die Forscher erhebliche technische Probleme überwinden und neue Messinstrumente entwickeln. Kernstück ihres Aufbaus ist eine Kombination aus drei Ionenfallen, in denen das wasserstoffähnliche Ion gespeichert wird. Diese Fallen werden dicht bis an den absoluten Nullpunkt abgekühlt und sind in außerordentlich gutem Vakuum aufgebaut. Den Preisträgern war es so möglich, an einem einzelnen Ion mehrere Monate zu experimentieren. Für die Messung selbst wurde das Ion vielfach zwischen den Fallen hin- und hertransportiert, um den quantenmechanischen Zustand des Elektrons festzustellen und mit Hilfe eines neu entwickelten Verfahrens seine Wechselwirkungsenergie mit dem Magnetfeld zu bestimmen. Aus dieser Größe lässt sich schließlich der gesuchte g-Faktor bestimmen.

Der Helmholtz-Preis wird vom Helmholtz-Fonds e. V. alle zwei bis drei Jahre für herausragende Präzisionsmessungen in Physik, Chemie oder Medizin vergeben. Er ist in diesem Jahr mit 20 000 € dotiert und wird am 27. März 2012 im Anschluss an das Helmholtz-Symposium zum Thema „Metrology, the Universe and Everything“ in der Stadthalle Braunschweig vergeben. Das Symposium ist Teil der Festveranstaltungen zum 125-jährigen Bestehen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Weitere Informationen unter http://www.ptb.de/125jahre.

ptb

Ansprechpartner
Dr. Robert Wynands, Koordinator für den Helmholtz-Preis, Präsidialer Stab der PTB

Tel. (0531) 592-1009, E-Mail: robert.wynands@ptb.de

Prof. Dr. Klaus Blaum, Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg,
Tel. (06221) 516-851, E-Mail: klaus.blaum@mpi-hd.mpg.de
125 Jahre genau
Das Stichwort, das die PTB seit ihrer Gründung im Jahr 1887 (damals als Physikalisch-Technische Reichsanstalt, PTR) begleitet, ist: Genauigkeit. Genauer: Genauigkeit des Messens. Auf die Gründung folgte eine 125-jährige Erfolgsgeschichte. Viele der wissenschaftlichen Entdeckungen und messtechnischen Höchstleistungen wirken bis heute nach: etwa die Messungen am Ende des 19. Jahrhunderts zur Strahlung des Schwarzen Körpers, die als experimenteller Geburtshelfer des Planck’schen Strahlungsgesetzes und somit der Quantenmechanik gelten können. Die heutigen Möglichkeiten der PTB, Quantenspektroskopie zu betreiben, um die beste Atomuhr der Welt zu bauen oder das Geoid der Erde so genau zu vermessen wie nie zuvor, haben ihre Wurzeln in diesen Messungen aus der „Frühzeit“ der PTR. Ähnliche Entwicklungslinien ließen sich für zahlreiche physikalische Themen zeichnen: Etwa für die Phänomene, die sich (Stichwort: Supraleitung) bei tiefen Temperaturen zeigen – auch hier stehen Techniken und Messungen der PTR am Anfang. Oder die Entdeckung des Quanten-Hall-Effekts durch Klaus von Klitzing, den die PTB heute als ein Kernelement bei der Entwicklung neuer Quantennormale für elektrische Größen einsetzt. Und last but not least die beiden vielleicht bekanntesten PTB-(Erfolgs-)Themen: die Atomuhren, die mit jedem Entwicklungsschritt genauer werden, mit unabsehbarem Genauigkeitsende, sowie die intensive Forschungsarbeit an den übrigen Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems.

In 125 Jahren PTB stecken viele Geschichten – historische und aktuelle. Sollten Sie Interesse haben, das eine oder andere Thema aufzugreifen, helfen wir Ihnen jederzeit gerne weiter. (presse@ptb.de). Weitere Informationen rund um das 125-jährige Jubiläum der PTB finden Sie direkt auf unserer Homepage: www.ptb.de (Dort bitte unten auf das 125-Logo klicken.)

Aus dem Veranstaltungskalender zum Jubiläum:

27. März 2012 „Metrology, the Universe and Everything“.
Helmholtz Symposium on the occasion of the completion of PTB’s first 3  42 – 1 years.

(Stadthalle Braunschweig / öffentliche Veranstaltung)

28. März 2012 Festveranstaltung zum 125-jährigen Jubiläum
Offizieller Empfang mit Ehrengästen
(Stadthalle Braunschweig / Teilnahme nur auf Einladung)
14. Juli 2012 125 Jahre genau - Tag der offenen Tür
(PTB, Braunschweig, Bundesallee 100 / öffentliche Veranstaltung)

Erika Schow | PTB
Weitere Informationen:
http://www.ptb.de

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