Grundvariable: Die Physiker haben den bisher genauesten Wert für die Feinstrukturkonstante ermittelt – die Konstante, die die grundlegende Wechselwirkung von Licht mit geladenen Teilchen beschreibt. Der neue Wert ist fast dreimal so genau wie frühere Messungen und bestätigt unter anderem, dass das Elektron tatsächlich ein unteilbares Elementarteilchen ist. Darüber hinaus wird das Kandidatenfeld für Partikel der dunklen Materie weiter eingegrenzt, berichten die Forscher in der Zeitschrift „Nature“.
Es ist eine der Grundgrößen der Natur: Die Feinstrukturkonstante α beschreibt die Stärke der elektromagnetische Wechselwirkung und damit unter anderem, wie stark Licht mit geladenen Elementarteilchen wie Elektronen oder Myonen interagiert. Weil diese Konstante auch viele andere ergibt Grundgrößen und quantenphysikalische Wechselwirkungen wird als entscheidende Grundlage für unser physikalisches Standardmodell angesehen. Es ist daher wichtig, sie so genau wie möglich zu kennen.
Ultrakalte Rubidiumatome unter Laserbeschuss
Forscher, die mit Leo Morel von der Universität Sorbonne in Paris zusammenarbeiten, haben nun den bislang genauesten Wert für die Feinstrukturkonstante ermittelt. Dazu nutzten sie die Tatsache, dass Atome ihren Energiezustand ändern, wenn sie Photonen absorbieren und eine Art Rückstoß erfahren. Die Geschwindigkeit des Rückstoßes zeigt die Masse des Atoms. In Kombination mit der bekannten Masse des Elektrons und der Bindungsenergie des Elektrons im Wasserstoffatom kann dann die Feinstrukturkonstante berechnet werden.
Konkret verwendeten die Forscher für ihr Experiment ultrakalte Rubidiumatome, die mittels Magnetfeldern und Laserpulsen in eine Vakuumröhre gehoben werden und dann durch einen Messabschnitt fallen. Hier absorbieren die Atome Photonen und verändern durch ihren Rückstoß subtil die Phasen verschiedener Messlaser. Daraus ermittelten Morel und sein Team die Rückstoßrate und verwendeten diese als Grundlage für ihre Berechnung der Feinstrukturkonstante als Kehrwert 1 / α.
Elektron als echtes Elementarteilchen bestätigt
Das Ergebnis ist der bisher genaueste Wert für die Feinstrukturkonstante. Ihr gegenseitiger Wert ist daher α-1 137,035999206 (11). Die Zahl in Klammern gibt den Unsicherheitsfaktor an. Laut den Forschern ist dies 8,1 x 10-11 oder 81 Milliardstel. Dies ist laut Morel und seinem Team fast dreimal so genau wie bei früheren Messungen. Dieser Wert kann auch verwendet werden, um andere Konstanten und grundlegende Vorhersagen des Standardmodells zu überprüfen.
„Diese Ergebnisse bestätigen zum Beispiel, dass das Elektron keine Substruktur aufweist und ein echtes Elementarteilchen ist“, erklärt der Physiker Holger Müller von der University of California in Berkeley, Berkeley, der nicht an der Studie beteiligt war, in einer Begleitnotiz. „Wenn das Elektron aus kleineren Einheiten bestehen würde, hätte es ein anderes magnetisches Moment.“ Letzteres kann aus der Feinstrukturkonstante abgeleitet werden.
Einblicke in Kandidaten für dunkle Materie
Die aktuelle Messung sagt aber auch viel über die „dunkle Seite“ des Kosmos aus. Weil der genauere Wert der Feinstrukturkonstante die möglichen Eigenschaften von Partikeln der dunklen Materie weiter einschränkt. Dazu gehören Kandidaten wie die „Dunkle Bosonen– hypothetische Kraftteilchen, die einige Forscher aufgrund von Anomalien bei Quantensprüngen von Ytterbium oder Beryllium postuliert haben.
Die aktuellen Werte, kombiniert mit früheren Messungen, schließen jedoch die Existenz dieser Partikelkandidaten fast vollständig aus, wie Morel und sein Team berichten. Denn diese dunklen Bosonen sollten das magnetische Moment des Elektrons subtil, aber messbar beeinflussen. Die aktuell ermittelte Feinstrukturkonstante zeigt jedoch keinen solchen Einfluss an.
Erstaunliche Diskrepanz zu früheren Messungen
Die neue Messung wirft jedoch eine Frage auf: Der neue Wert für die Feinstrukturkonstante ist der bisher genaueste, weicht jedoch gleichzeitig um mehr als fünf Standardabweichungen von den beiden vorherigen Messungen ab. Dazu gehören eine Messung von Morel und seinen Kollegen selbst sowie ein durch Atominterferometrie von Cäsiumatomen von Müller und seinem Team in Berkeley ermittelter Wert.
„Die Experimente bereiten sich nun darauf vor, die Ursachen dieser Diskrepanzen aufzuklären – und das Standardmodell erneut zu testen“, sagt Müller. (Natur, 2020; doi: 10.1038 / s41586-020-2964-7)
Quelle: Natur, CNRS