Ett internationellt forskarlag har framgångsrikt genomfört ultraexakta röntgenspektroskopiska mätningar av heliumliknande uran. Teamet, som inkluderar forskare från Friedrich Schiller University Jena och Helmholtz Institute Jena (båda i Tyskland), har uppnått resultat som visar deras framgång med att lösa upp och separat testa en-elektron två-loop- och två-elektron kvantelektrodynamiska effekter för extremt starka Coulomb fält av de tyngsta kärnorna för första gången.
Forskarna har nu publicerat sina resultat i tidskriften Nature .
Den publicerade artikeln beskriver grundläggande forskning om den urgamla frågan om vad som håller ihop vår värld på det innersta planet. Dr Robert Lötzsch, en experimentell fysiker vid Institutet för optik och kvantelektronik vid universitetet i Jena, säger att den speciella delen av detta projekt är att mätningar utfördes på de tyngsta stabila atomerna.
"När vi mäter en väteatom, som har atomnummer ett, kan vi exakt mäta elektronövergångarna till 13 decimaler", säger Dr Lötzsch. Han förklarar att för uran, som har atomnumret 92, har exakta mätningar gjorts med fem decimaler.
Mätningen fokuserar på övergången mellan olika banor. Experimenten ägde rum vid den experimentella lagringsringen GSI/FAIR i Darmstadt – ett partikelacceleratorkomplex som används av flera europeiska länder. Studiegrupper från Polen, Frankrike, Portugal och Tyskland var involverade i de senaste mätningarna under ledning av Martino Trassinelli och Robert Lötzsch. Darmstadt-komplexet inkluderar en jonlagringsring med en omkrets på över 100 meter och en uppströms accelerator som sträcker sig över en kilometer.
Lötzsch beskriver experimentet så här:Först produceras fria joner. För att uppnå detta förångas uran och accelereras sedan kraftigt till cirka 40 % av ljusets hastighet. Det resulterande materialet matas sedan genom en speciell film och förlorar elektroner i processen. De accelererade elektronerna leds sedan in i en lagringsring, där de rasar runt en cirkulär bana.
"Partiklarna blinkar av våra spektrometrar upp till 50 miljoner gånger per sekund, och ibland finns det en elektronövergång som vi kan mäta med en spektrometer", säger Lötzsch. Den speciella Bragg-kristallspektrometer som användes i experimentet konstruerades i Jena.
Lensnålen i spektrometern, förklarar Lötzsch, är en specifikt böjd kristall gjord av grundämnet germanium. "Den här kristallen är tunn som ett pappersark och hålls i en speciell glasform", säger Lötzsch. Denna teknik kräver stor expertis och utvecklades i Jena. Forskning kring utvecklingen av sådana mätinstrument har pågått i över 30 år.
Resultaten som publicerats av forskargruppen är resultatet av ett experiment som genomfördes 2021. Testerna pågick i tre veckor över påsk under förhållanden som komplicerades av covid-19-pandemin. Ändå anser Lötzsch att resultaten är väl värda ansträngningen.
Han förklarar, "Vi har framgångsrikt testat om vår teoretiska förståelse även gäller denna exotiska nisch av material." Resultaten, säger han, kommer därför att bidra till att främja vår förståelse av vad som "håller samman världen på de innersta nivåerna."
Mer information: R. Loetzsch et al, Testa kvantelektrodynamik i extrema fält med heliumliknande uran, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06910-y
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Friedrich Schiller University of Jena
