Meting van de g-factor van elektronen in waterstofachtig tin

Kwantumelektrodynamica is de best geteste theorie in de natuurkunde. Beschrijft alle elektrische en magnetische interacties van licht en materie. Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Kernfysica in Heidelberg (MPIK) hebben nu nauwkeurige metingen gebruikt in hun Alphatrap-experiment om de magnetische eigenschappen te bestuderen van elektronen gebonden aan sterk geïoniseerde tinatomen. Dergelijke tests geven inzicht in het gedrag van deeltjes onder extreme veldsterktes. Het dient ook als startpunt voor de zoektocht naar nieuwe natuurkunde.

Net als andere geladen elementaire deeltjes heeft het elektron een magnetisch moment. De precieze waarde ervan is een van de meest nauwkeurige metingen die in de natuurkunde bekend zijn en komt perfect overeen met theoretische voorspellingen van de kwantumelektrodynamica. Theorie en experiment komen overeen tot meer dan tien decimalen. Deze waarden zijn echter alleen van toepassing op het “vrije” elektron, dat niet onderhevig is aan externe velden.

Maar vooral bij zeer sterke velden, zoals die in de directe omgeving van de atoomkern, kunnen aanvullende factoren een rol spelen, zoals voorheen onbekende elementaire deeltjes of afwijkingen van bekende natuurwetten.

Een onderzoeksteam met onder meer wetenschappers van verschillende afdelingen van MPIK heeft hier nu een belangrijke doorbraak bereikt. “We hebben met succes waterstofachtige tinionen geproduceerd en deze enkele maanden opgeslagen in de Alphatrap-ionenval”, zegt Jonathan Morgener, eerste auteur van de nieuwe studie en gepromoveerd. Student aan de afdeling van Professor Klaus Blom. Het experiment werd geleid door Sven Sturm, en de theoretische groep onder leiding van Zoltan Haarmann van de afdeling van Christoph Kittel voerde de berekeningen uit.

“Dankzij de lange opslagtijd konden we het magnetische moment met ongekende nauwkeurigheid meten”, vervolgt Morgener. De studie verscheen innatuur.

Waterstofachtig tin heeft, net als conventionele waterstof, slechts één elektron in zijn schil. De atoomkern van tin bevat echter 50 protonen en het neutrale element heeft 50 elektronen in zijn schil. “We moesten dus eerst 49 elektronen verwijderen”, zegt Morgener. “Om dit te bereiken hebben we een elektronenbundelionenval gebruikt, Heidelberg-EBIT, een apparaat voor het genereren van sterk geladen ionen, ontwikkeld door José Crespo López-Urrutia van de afdeling Thomas Pfeifer.”

In deze experimentele opstelling wordt een wolk van ongeveer 100.000 tinionen gebombardeerd met hoogenergetische elektronen. Bij dit proces verliezen de ionen hun gebonden elektronen in serie. Ionen met nog maar één elektron in hun schil worden vervolgens uitgefilterd en in de deeltjesval van het Alphatrap-experiment gevoerd. Daar worden de magnetische eigenschappen van de elektronen gemeten.

Alphatrap is een uiterst nauwkeurig experiment, waarvan het hart een Penning-val is, waarbij geladen deeltjes op hun plaats worden gehouden door elektromagnetische velden. Het heeft ook een cryogeen vacuümsysteem dat lage temperaturen gebruikt om een ​​zeer fijn vacuüm te creëren. Dit is nodig omdat sterk geladen tinionen onmiddellijk elektronen van omringende atomen zullen opnemen. Dit zou metingen op lange termijn onmogelijk maken. Bovendien is de bereiding van waterstofachtig tin uiterst tijdrovend.

Vervolgens konden de onderzoekers met behulp van bestraalde microgolven de zogenaamde elektronenfactor op de gevangen tinionen meten. Op de overeenkomstige frequentie maken de elektronen in het magnetische veld dat in de val wordt aangelegd zogenaamde spinflips, d.w.z. hun ‘magnetische naald’ heroriënteren. Dit effect maakt zeer nauwkeurige metingen van de g-factor mogelijk, ook wel de “gyromagnetische factor” genoemd. Dit is een maatstaf voor hoe sterk het magnetische veld van het elektron is.

De dimensieloze waarde van de factor g is ongeveer 2. De exacte waarde kan worden voorspeld door de kwantumelektrodynamica en is afhankelijk van de elektronenomgeving. Dit is waar de sterk geladen tinionen een rol gaan spelen. Omdat het slechts één elektron bevat, kan het theoretisch op dezelfde manier worden beschreven als een waterstofatoom.

Dit vereenvoudigt de berekeningen aanzienlijk. Vanwege de hoge lading van de tinkern heeft deze echter extreem hoge elektrische velden van ongeveer 10¹⁵ Er zijn volt per centimeter elektronenpositie rond de kern van een atoom. Deze veldsterkte is veel sterker dan vandaag de dag kan worden bereikt met zelfs de krachtigste lasersystemen in welk experiment dan ook. Dergelijke atoomkernen zijn dus bij uitstek geschikt om de voorspellingen van de kwantumelektrodynamica te testen, vooral in het hoge veldregime, dat wil zeggen onder extreme omstandigheden.

Complexe berekeningen van de theoretische waarde van de g-factor in sterke velden leveren iets minder nauwkeurige voorspellingen op dan die voor het vrije elektron, vanwege extra interactie met de kern. Volgens de theorie zou de factor gg moeten zijn_{De O} = 1,910 561 821 (299). De experimentele waarde gemeten met het Alphatrap-apparaat heeft een veel hogere nauwkeurigheid van g_Verdienen = 1.910 562 058 962 (73)_{De basiswet}(42)_sys(910)_{Geconverteerd}.

“De twee waarden komen heel goed overeen, dus dit is een uitstekende bevestiging van de kwantumelektrodynamica”, aldus Morgener. “Dit toont aan dat ons eerdere begrip van de natuurkunde zelfs in zulke extreme velden werkt.” Tot nu toe zijn vergelijkbare metingen van de elektronenfactor alleen gedaan voor veel lichtere elementen zoals silicium.

Dankzij de succesvolle metingen is de volgende stap het experimenteren met zwaardere ionen. Lood of waterstofachtig uranium heeft een veel hoger elektrisch veld dan tin. Momenteel worden verdere upgrades geïmplementeerd om in de toekomst krachtigere fundamentele tests van de kwantumelektrodynamica mogelijk te maken.