Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenelektrodynamik auf dem Prüfstand

05.07.2011
Forscher bestätigen Quantenelektrodynamik in starken Feldern mit bislang unerreichter Präzision

In Goethes berühmtem Drama zweifelt der Gelehrte „Faust“ daran, dass die Wissenschaft ergründen kann, was die Welt im Innersten zusammenhält. Physiker setzen dieser Skepsis heute die Theorie der Quantenelektrodynamik entgegen. Sie beschreibt die Wirkung von elektrischen und magnetischen Kräften und bestimmt die Struktur von Atomen und Molekülen. Obwohl die Quantenelektrodynamik zu den am genauesten überprüften Theorien zählt, vermuten viele Physiker, dass sie bei sehr starken elektrischen Feldern versagen wird. Doch bei welchen Feldstärken tritt das ein? Eine Forschergruppe des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg bestätigte gemeinsam mit Kollegen von der Universität Mainz und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung die Theorie mit bislang unerreichter Genauigkeit. Ihre Methode eignet sich zudem, grundlegende Größen wie die Masse von Elektronen oder die Größe von Atomkernen zu messen.


Die drei Fallen sind in eine Apparatur integriert. Im linken Teil befindet sich die Erzeugungsfalle, in der Mitte die Analysefalle und rechts die Präzisionsfalle. Die gesamte Apparatur ist 18 Zentimeter lang. Die Grafik veranschaulicht das Silizium-Ion, das nur noch von einem Elektron umkreist wird, in der Präzisionsfalle. © MPI für Kernphysik

Um die Quantenelektrodynamik in einem möglichst starken elektrischen Feld zu testen, haben die Forscher um Klaus Blaum vom Max-Planck-Instituts für Kernphysik einen besonderen Ort ausgewählt: das Innere eines Atoms. Wenn man in einem Atom alle bis auf ein letztes Elektron entfernt, entsteht ein sogenanntes wasserstoffähnliches Ion. Für Ihr Experiment wählten die Physiker Silizium. In einem solchen Ion herrscht am Ort des verbleibenden Elektrons eine Feldstärke von etwa 3 · 1013 Volt pro Zentimeter. Das zählt zu den höchsten im Labor erreichbaren Werten.

Die Struktur dieses Ions hat die Theoretikergruppe um Christoph Keitel im Rahmen der Quantenelektrodynamik extrem genau berechnet. Damit stellt es die ideale Umgebung für einen Test der Theorie unter extremen Bedingungen dar.

Blaum und seine Mitarbeiter wählten Silizium, weil es die schwerste, in ihrer Apparatur noch handhabbare Atomsorte ist. Ein Silizium-Atom besitzt im Normalfall 14 Elektronen. Daher mussten die Physiker zunächst alle weiter außen kreisenden Elektronen entfernen, indem sie die Silizium-Atome mit anderen, schnellen Elektronen beschossen. Bei Kollisionen katapultierten diese ihre Partner aus dem Atom heraus.

Auf diese Weise erhielten die Forscher ein Sammelsurium aus Ionen in unterschiedlichen Ladungszuständen, die sich dank ihrer positiven Ladung in einer elektromagnetischen Falle einfangen lassen. Hierin überlagern sich ein starkes Magnetfeld und ein elektrisches Feld. „Letzteres kann man sich wie einen Topf vorstellen, in dem die Ionen wie Murmeln hineinfallen“, veranschaulicht der Erstautor der Arbeit Sven Sturm diese Technik.

Die Apparatur besteht aus drei Fallen. Von der Erzeugungsfalle gelangte die Wolke in die Präzisionsfalle. Dort wurden die Ionen einer gezielten Radiofrequenzanregung unterzogen mit der Folge, dass alle Ionen außer der gewünschten Spezies aus der Falle geworfen wurden. Übrig blieb ein Ensemble aus Silizium-Ionen mit nur noch einem Elektron. Dann wurde das elektrische Feld so verändert, dass sich die Wände des „Topfes“ immer weiter absenkten. Aus diesem immer flacher werdenden Topf fielen die energiereichsten Silizium-Ionen nach und nach heraus, bis nur noch ein einziges Ion übrig blieb. Dieses kann über Monate hinweg gespeichert werden und bildet so das Testteilchen für die Quantenelektrodynamik.

Das den Kern umkreisende Elektron kann man sich wie eine Kugel vorstellen, die den Kern umkreist und gleichzeitig um die eigene Achse rotiert. Dabei erzeugt es ein Magnetfeld. In einem sehr starken Magnetfeld ist die Spin-Achse entweder parallel oder antiparallel zu den Feldlinien ausgerichtet. Diese Ausrichtung stellten die Physiker in der dritten Abteilung, der Analysefalle, fest.

Ansprechpartner
Prof. Dr. Klaus Blaum
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Telefon: +49 62 21516-850
E-Mail: klaus.blaum@mpi-hd.mpg.de
Prof. Dr. Christoph H. Keitel
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Telefon: +49 6221 516-150
Fax: +49 6221 516-152
E-Mail: keitel@mpi-hd.mpg.de
Dr. Zoltan Harman
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Telefon: +49 6221 516-170
E-Mail: harman@mpi-hd.mpg.de
Ansprechpartner
Sven Sturm
Universität Mainz
Telefon: +49 61 313922-891
E-Mail: sturms@uni-mainz.de
Originalpublikation
S. Sturm et al.
g Factor of hydrogenlike 28Si13
Phys. Rev. Lett., im Druck

Prof. Dr. Klaus Blaum | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de
http://www.mpg.de/4358343/quantenelektrodynamik_pruefstand

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Proteintransport - Stau in der Zelle
24.03.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise