Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wissenschaftlern gelingt der bislang empfindlichste Test des relativistischen Kernrückstoßeffekts

21.01.2016

Gute Übereinstimmung zwischen theoretischer Vorhersage und hochpräzisen g-Faktor-Messungen erweitert unsere detaillierte Kenntnis über die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Kernen in Atomen

In einem kürzlich in Nature Communications erschienenen Artikel präsentieren Wissenschaftler aus Mainz, Heidelberg, Darmstadt und St. Petersburg erstmals einen direkten Test des Kernrückstoßeffekts.


Schematische Darstellung des Experiments: Von den lithiumähnlichen Kalziumionen Ca-40 und Ca-48 wird die g-Faktor-Differenz gemessen und berechnet, um so den relativistischen Kernrückstoßbeitrag zu testen.

Abb.: Florian Köhler, Institut für Physik, JGU


Dr. Florian Köhler und Dr. Sven Sturm beim g-Faktor-Experiment für hochgeladene Ionen im Untergeschoss des Instituts für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Hier wurden die g-Faktoren von Ca-40 und Ca-48 mit höchster Präzision experimentell bestimmt. Die Ionenfallen sowie die supraleitenden Detektionssysteme mit ultra-präziser Messelektronik befinden sich im 3,7-Tesla-Magneten, der von einer temperaturstabilisierten Box (rechts) umgeben ist.

Foto: Andreas Mooser, Institut für Physik, JGU

Während der Atomkern üblicherweise als räumlich fixiert betrachtet wird, beschreibt der Kernrückstoßeffekt eine gewisse Beweglichkeit des Kerns.

Damit wird es möglich, die Dynamik der Wechselwirkung zwischen den Elektronen und dem Atomkern zu beobachten. Die jetzt vorgelegten Ergebnisse zeigen, dass die theoretischen Vorhersagen gut mit den hochpräzisen Messungen übereinstimmen.

Um das Atom physikalisch zu beschreiben, entwickelte Niels Bohr vor etwa 100 Jahren sein berühmtes Atommodell und ebnete damit den Weg für unser heutiges Verständnis vom Aufbau der Atomhülle. Heute wird der Aufbau des Atoms mit einer der am genauesten getesteten Theorien beschrieben, der Quantenelektrodynamik gebundener Zustände (BS-QED).

Zum experimentellen Test dieser Theorie eignet sich der sogenannte g-Faktor des gebundenen Elektrons besonders. Der g-Faktor beschreibt die Stärke eines magnetischen Moments, ist in diesem Fall also ein Maß für die magnetische Kraft, die von dem gebundenen Elektron ausgeht.

In dem aktuellen Artikel präsentieren Dr. Florian Köhler et al. erstmals einen direkten Test des Kernrückstoßeffekts, „einen der faszinierendsten BS-QED-Beiträge zum g-Faktor“, so der Projektleiter des g-Faktor-Experiments hochgeladener Ionen, Dr. Sven Sturm vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.

Zum experimentellen Test dieses Beitrags wurden die g-Faktoren der beiden Kalziumisotope Ca-40 und Ca-48 verglichen, die jeweils nur noch drei Elektronen binden und sich somit in einer lithiumähnlichen Elektronenkonfiguration befinden. Sie besitzen trotz eines verhältnismäßig großen Massenunterschieds von 20 Prozent sehr ähnliche Kernladungsradien, sodass der Einfluss der Kerngrößen beim Vergleich der g-Faktoren vernachlässigt werden kann.

Aus diesem Grund bilden die beiden Kalziumisotope ein einzigartiges Testsystem, mit dem der winzige Unterschied ihrer g-Faktoren aufgrund unterschiedlich großer Beiträge des Kernrückstoßeffekts – der relative Unterschied beträgt gerade einmal etwa 0,000001 Prozent – experimentell bestimmt werden kann.

Der Test wurde durch die enge Zusammenarbeit dreier verschiedener physikalischer Disziplinen möglich: modernste BS-QED-Berechnungen von Theoretikern aus St. Petersburg um Prof. Dr. Vladimir M. Shabaev, hochpräzise Messungen der g-Faktoren von einer Forschergruppe aus Heidelberg und Mainz und die genaue Bestimmung der Atommassen der beteiligten Kalziumisotope am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt.

Die gute Übereinstimmung zwischen dem theoretisch vorhergesagten Kernrückstoßeffekt und den hochpräzisen g-Faktor-Messungen erweitert unsere detaillierte Kenntnis über die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Kernen in Atomen.

Das Experiment bildet zudem die Grundlage für eine neue Generation von Tests der BS-QED und ebnet den Weg für weitere grundlegende Präzisionsmessungen in der Atomphysik, beispielsweise die Bestimmung der Feinstrukturkonstante.

Veröffentlichung:
Isotope dependence of the Zeeman effect in lithium-like calcium
Florian Köhler et al.
Nature Communications, 18. Januar 2016
DOI: 10.1038/ncomms10246


Weitere Informationen:
Dr. Florian Köhler
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-22891
E-Mail: koehlef@uni-mainz.de
und
Max-Planck-Institut für Kernphysik
Saupfercheckweg 1
69117 Heidelberg

Weitere Links:
http://www.nature.com/ncomms/2016/160118/ncomms10246/full/ncomms10246.html (Article)
https://www.mpi-hd.mpg.de/blaum/gfactor/silicon/index.de.html (Webseite zum g-Faktor-Experiment)

Petra Giegerich | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Eine Extra-Sekunde zum neuen Jahr
08.12.2016 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

nachricht Heimcomputer entdecken rekordverdächtiges Pulsar-Neutronenstern-System
08.12.2016 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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: Rätsel um Mott-Isolatoren gelöst

Universelles Verhalten am Mott-Metall-Isolator-Übergang aufgedeckt

Die Ursache für den 1937 von Sir Nevill Francis Mott vorhergesagten Metall-Isolator-Übergang basiert auf der gegenseitigen Abstoßung der gleichnamig geladenen...

Im Focus: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Firmen- und Forschungsnetzwerk Munitect tagt am IOW

08.12.2016 | Veranstaltungen

NRW Nano-Konferenz in Münster

07.12.2016 | Veranstaltungen

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einzelne Proteine bei der Arbeit beobachten

08.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Intelligente Filter für innovative Leichtbaukonstruktionen

08.12.2016 | Messenachrichten

Seminar: Ströme und Spannungen bedarfsgerecht schalten!

08.12.2016 | Seminare Workshops