Mit hochspezialisierter Analysetechnik der Größe des Heliumkernes auf der Spur
Forscher des renommierten Schweizer Paul-Scherrer-Institut (PSI) haben in Zusammenarbeit mit Kollegen von der Johannes-Gutenberg-Universität (JGU) in Mainz eine Messmethode entwickelt, die genaueste Einblicke in die Struktur von Atomen erlaubt. Objekt der Untersuchung war der Atomkern des Heliums. Mit der einzigartigen Messtechnologie konnte die Größe dieses Kerns fünfmal genauer bestimmt werden als in früheren Experimenten. Nehmen Sie teil an faszinierenden Einblicken in die Welt der Teilchenphysik.
Relevante Bausteine für die fundamentalen Theorien der Physik
Viele fundamentale Theorien und zahlreiche Naturkonstanten leiten sich aus Untersuchungen der Grundlagenforschung ab. Wie Atome aus Protonen, Neutronen und Elektronen aufgebaut sind, wie diese Teilchen miteinander wechselwirken und welche Größe diese haben, ist hierbei von grundsätzlicher Bedeutung. Nur über solche Erkenntnisse lassen sich die chemischen und physikalischen Prozesse auf der Welt verstehen und Annahmen für Naturkonstanten überprüfen.
Ein guter Kandidat für solche grundlegenden Untersuchungen ist das Helium. Das leichteste aller Edelgase ist das zweithäufigste Element im Universum und wird nur noch von Wasserstoff übertroffen. Mehr als ein Viertel aller Atomkerne, die nach dem Urknall entstanden sind, waren Heliumkerne. Daher ist die Untersuchung des Heliumkernes von fundamentaler Bedeutung.
Der Trick mit den Myonen
Um die Größe des Heliumkernes genauer zu bestimmen, entwickelte das internationale Forscherteam eine einzigartige Analysetechnik. Grundlage ist zunächst der Aufbau des positiv geladenen Heliumkernes, welcher aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Umkreist wird der Heliumkern von zwei Elektronen. Da diese zwei Elektronen jedoch sehr hochenergetisch, sehr klein und sehr schnell sind, lassen sie sich schwer untersuchen. Daher bedienten sich die Wissenschaftler eines Tricks – sie ersetzen die zwei Elektronen durch ein sogenanntes Myon.
Dieses exotische Teilchen ist der sogenannte große Bruder der Elektronen mit vergleichbaren Eigenschaften, allerdings ungefähr 200-mal schwerer als die flinken Elektronen. Zusätzlich lassen sich die Myonen auch in niederenergetischen Zuständen herstellen, sind daher langsamer und lassen sich leichter untersuchen.
Einzigartige Anlage zur Herstellung von Myonen
Der Teilchenbeschleuniger des PSI in der Schweiz ist der einzige seiner Art, der diese niederenergetischen Myonen in einer ausreichend großen Anzahl herstellen kann. Nur die niederenergetischen Myonen lassen sich in der Apparatur stoppen und können so mit dem Helium in Wechselwirkung treten. Wären die Teilchen hochenergetisch, würden sie einfach hindurchfliegen, dieser Unterschied macht die Anlage in der Schweiz so einmalig.
Treffen die gezielt erzeugten Myonen auf das Heliumgas, können die beiden Elektronen in der Elektronenschale verdrängt und durch ein Myon ersetzt werden. Somit entsteht das sogenannte myonische Helium. Dieses kann nun mit der zweiten hoch spezialisierten Technologie untersucht werden – dem Lasersystem.
Mit Lasertechnologie der Energie der Myonen
Durch zielgerichteten Beschuss mit Laserlicht lassen sich die Myonen in einen energetisch höheren Zustand bringen. Fallen sie dann von diesem wieder auf den ursprünglichen Zustand zurück, werden Röntgenstrahlen ausgesendet, welche von einem Detektor aufgenommen werden können.
Dass die Myonen ihren Energiezustand ändern, also von niedriger zu hoher Energie wechseln, funktioniert jedoch nur, wenn die eingestrahlte Energie genau dem Unterschied zwischen hoch- und niederenergetischem Zustand entspricht. Die eingestrahlte Energie hängt direkt mit der Frequenz des Laserlichtes zusammen. Im Experiment wird daher die Laserfrequenz so lange variiert, bis die richtige Energie gefunden ist. Dies ist dann im Röntgendetektor sichtbar, da in diesem viele Signale von wieder heruntergefallenen Myonen detektiert werden können.
Mit dieser gemessenen sogenannten Resonanzfrequenz lässt sich jetzt der Energieunterschied zwischen niederenergetischem und höherenergetischem Zustand direkt berechnen. Und weil dieser Energieunterschied über theoretische Formeln direkt mit der Größe des Heliumkernes zusammenhängt, kann nun auch die Größe des Heliumkernes bestimmt werden. Die Kombination an herausragenden Technologien führte zu einem Wert für den mittleren Ladungsradius des Heliumkerns von 1,67824 Femtometern – fünfmal genauer als jemals zuvor. Ein Meilenstein für die Untersuchung fundamentaler Theorien der Chemie und der Physik.
Theorien und Konstanten auf dem Prüfstand
Mit den neuen Erkenntnissen lassen sich nun neue theoretische Modelle der Kernphysik überprüfen. Der exakt bestimmte Heliumradius kann hierbei als ein guter Referenzwert dienen, um Experiment und Theorie in Einklang zu bringen. Nur durch solche Beispiele können die Gültigkeiten neuer theoretischer Ansätze überprüft werden.
Als Nächstes werden die Forscher sich wieder an normalen Heliumatomen und Heliumionen versuchen. Hierfür haben die Untersuchungen am elektronischen Helium bereits angefangen. Aus dem Vergleich zwischen den myonischen und den elektronischen Werten lassen sich dann weitere Erkenntnisse ziehen. So kann dies auch eine hohe Relevanz für die Bestimmung fundamentaler Naturkonstanten haben. Beispiel einer solchen Konstante ist die Rydberg-Konstante, die eine große Rolle in der Quantenmechanik spielt.
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