För första gången, ett team av forskare under ledning av TU Darmstadt har lyckats mäta övergången mellan energinivåer av litiumliknande joner av vismut med sådan precision att det har blivit möjligt att ompröva underliggande teorier. Detta har lett till ett överraskande resultat - förståelsen av interaktionen mellan en elektron och en atomkärna som vi har haft hittills kan vara felaktig.

På ytan av kärnorna i vismutatomer, magnetfält finns som annars bara finns på ytan av massiva neutronstjärnor. Elektroners beteende inom dessa områden har undersökts av en grupp forskare under ledning av Technische Universität Darmstadt. Först nyligen har de uppnått ett genombrott genom att för första gången observera en särskild övergång i litiumliknande joner av detta element.

De har nu lyckats mäta denna övergång vid GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung i Darmstadt med sådan precision att det var möjligt för första gången att omvärdera den underliggande teorin övertygande. I det senaste numret av specialistjournalen Naturkommunikation , forskarna redogör för sitt överraskande resultat:skillnaden mellan teorin och experimentet är slående. Det tyder på ett fel i vår förståelse av hur en elektron interagerar med den komplexa inre strukturen i en kärna.

Enkla atomer bestående av en enda kärna och en eller några elektroner är idealiska system för att kontrollera vår förståelse av de underliggande fysiska krafterna som står på spel. Vi har ett bättre grepp om teorin om atomens elektronskal baserat på kvantelektrodynamik (QED) än på atomkärnans faktiska struktur. QED gör det möjligt att beräkna egenskaperna hos elektronerna och de tillstånd där atomen kan existera med stor noggrannhet. Dessa beräkningar kontrolleras sedan med hjälp av precisionsmätningar. Hittills, QED har klarat alla dessa tester med glans.

När du använder tunga kärnor, forskarna är främst intresserade av påverkan av de gigantiska elektriska och magnetiska fälten på elektronerna bundna i skalet. Endast mycket få experimentella verifieringar av denna teori har utförts under dessa extrema förhållanden, och de uppvisar inte - överlägset - samma noggrannhet som de experiment som utförts med ljuskärnor. De starka fälten försvårar de teoretiska beräkningarna. Dessutom, kärnornas komplexa inre struktur är inte känd med tillräcklig precision även om den har ett starkt inflytande på atomskalet.

För att kringgå denna svårighet, teoretiker beräknar vissa skillnader för system med olika antal elektroner, men med samma atomkärna. Dessa så kallade "specifika skillnader" är av sådan karaktär att bidragen i kärnans struktur borde eliminera sig nästan exakt och att de kan användas av forskarna som utgångspunkt för att kontrollera QED-beräkningarna med mer precision. Resultaten som nu har publicerats, dock, tycks ifrågasätta begreppet specifik skillnad.

Forskning vid lagringsringen ESR

I sitt experiment, laget genererade först väteliknande och litiumliknande vismutjoner. Dessa joner injicerades i den experimentella lagringsringen (ESR) vid GSI -acceleratoranläggningen som har en omkrets på 108 m och är utrustad med två raka sektioner där experiment kan utföras. I ett av dessa avsnitt, en elektronstråle med definierad energi överlagras med jonstrålen. Efter några sekunder, jonernas hastighet anpassar sig till elektronernas. I denna avdelning, en pulserad laserstråle är, dessutom, överlagrad med jonstrålen. Laserns våglängd ändras sedan i små steg. När lasern når exakt våglängden för jonövergången som ska undersökas, jonerna absorberar ljuspartiklar (fotoner) - och därmed energi - från laserstrålen. Joner som är upphetsade på detta sätt släpper ut denna energi efter en kort stund, därigenom avger ett mycket litet antal fotoner.

Detta lilla antal fotoner detekterades effektivt med hjälp av en speciell spegel och ett-fotondetekteringssystem som utvecklades vid universitetet i Münster. På grund av den höga hastigheten, laserns våglängd komprimeras eller sträcks med en faktor på cirka 2,4, för en motförökning eller en kopropagering laser, respektive. Denna faktor beror på elektronernas accelerationsspänning. För att mäta denna högspänning på cirka 214, 000 volt med en noggrannhet i storleksordningen 1 V, en högspänningsdelare utvecklad vid PTB i Braunschweig användes. Forskare från TU Darmstadt var ansvariga, bland annat för datainsamling och den tidsberoende synkroniseringen av laserpulserna, som bara varar några miljarder av en sekund (nanosekunder) med revolutionen av jonerna inuti lagringsringen. De analyserade också data.

Den specifika skillnaden i övergångsvåglängderna mätt i väteliknande och litiumliknande vismut håller inte med den teoretiska förutsägelsen, även när man tar hänsyn till alla kända källor till systematiska fel. Orsaken till denna avvikelse är ännu inte känd och ska undersökas inom ramen för ytterligare mätningar med andra isotoper av vismut. Dessa isotoper är, dock, radioaktivt och måste därför produceras innan det injiceras i lagringsringen. Dessa möjligheter finns tillgängliga på GSI Helmholtzzentrum. Den nya gaspedalen, RÄTTVIS, vars konstruktion i Darmstadt snart börjar, kommer att ge nya möjligheter för vidare undersökningar av detta ämne.