Das Pariser Forscherteam führte die bisher genaueste Messung der Feinstrukturkonstante durch und nahm uns die Hoffnung auf eine unbekannte Wechselwirkung in der Natur.
Die Feinstrukturkonstante wurde 1916 eingeführt, um den Abstand zwischen zwei Linien im Farbspektrum bestimmter Atome zu quantifizieren. Auf dem Foto sind dicht angeordnete Frequenzen durch den Fabry-Perot-Resonator sichtbar .
Unter den Grundkonstanten ist die Lichtgeschwindigkeit c die bekannteste. Der numerische Wert sagt jedoch nichts über die Natur aus - er hängt von den Maßeinheiten ab, sei es Meter pro Sekunde oder Meilen pro Stunde. Andererseits hat die Feinstrukturkonstante keine Dimension. Dies ist eine bloße Zahl, die einen enormen Einfluss auf das Universum hat. Richard Feynman schrieb, dass dies "eine magische Zahl ist, die wir ohne Verständnis gefunden haben". Paul Dirac betrachtete den Ursprung dieser Zahl als "das grundlegendste der ungelösten Probleme in der Physik".
Der mit dem griechischen Buchstaben α bezeichnete Wert der Feinstrukturkonstante liegt sehr nahe am Bruchteil 1/137. Es wird oft in Gleichungen gefunden, die das Verhalten von Licht und Materie beschreiben. "In der Architektur zum Beispiel ist der Goldene Schnitt üblich", sagte Eric Cornell , Physiker an der University of Colorado und am National Institute of Standards and Technology und Nobelpreisträger. „Und in der Physik energiearmer Materie - Atome, Moleküle, Chemie, Biologie - gibt es ein konstantes Verhältnis von Größen zu größeren. Und diese Verhältnisse erweisen sich oft als Grad konstanter Feinstruktur. "
Die Konstante ist allgegenwärtig, weil sie die Stärke der elektromagnetischen Kraft beschreibt, die auf geladene Teilchen - Elektronen und Protonen - wirkt. „In der Alltagswelt sind wir entweder mit Schwerkraft oder Elektromagnetismus konfrontiert. Deshalb ist Alpha so wichtig “, sagte Holger Mueller , Physiker an der University of California in Berkeley. 1/137 ist nicht viel und der Einfluss des Elektromagnetismus ist schwach. Infolgedessen bilden geladene Teilchen überwiegend leere Atome, in denen sich Elektronen in fernen Bahnen bewegen und leicht von ihnen abgerissen werden. Dies führt zur Bildung chemischer Bindungen. Andererseits ist die Konstante groß genug - wenn sie näher an 1/138 wäre, würde in den Sternen kein Kohlenstoff entstehen und das uns vertraute Leben könnte nicht erscheinen.
Seit fast einem Jahrhundert sind Physiker besessen von dem Wunsch herauszufinden, warum sich der Wert von Alpha so herausstellte. Aber heute haben sie praktisch das Interesse an diesem Thema verloren und erkennen, dass der Wert der fundamentalen Konstanten zufällig sein kann, bestimmt durch das Würfeln der kosmischen Würfel bei der Geburt des Universums. Jetzt haben sie ein neues Ziel.
Physiker wollen den Wert der Feinstrukturkonstante so genau wie möglich messen. Da es überall zu finden ist, können sie aufgrund seiner genauen Bedeutung ihre Theorie der Beziehung von Elementarteilchen testen. Ein großartiger Satz von Gleichungen, der als Standardmodell der Teilchenphysik bekannt ist... Jede Diskrepanz bei genau gemessenen Werten, die miteinander in Beziehung stehen, könnte auf das Vorhandensein neuer Partikel oder Effekte hinweisen, die in den Standardgleichungen nicht berücksichtigt werden. Cornell nennt solche präzisen Messungen den dritten Weg, um die Grundprinzipien des Universums experimentell aufzudecken - nach Teilchenbeschleunigern und Teleskopen.
Im Dezember 2020 veröffentlichte ein Team von vier Physikern unter der Leitung von Saida Gelati-Khalifa vom Kastler-Brossel-Labor in Paris in Nature ein neues Papier mit der bislang genauesten Messung der Feinstrukturkonstante. Das Team erhielt den Wert einer Konstante mit bis zu 11 Stellen: α = 1 / 137.035999206.
Mit einem Fehler von nur 81 Billionen ist der neue Wert dreimal genauer als der vorherige , der 2018 vom Hauptkonkurrenten des Teams, der Mueller-Gruppe in Berkeley, durchgeführt wurde. Vor Müller erhielt Gelati-Khalifa 2011 den genauesten Wert zu diesem Zeitpunkt. Von dem neuen Wert, den ihre Rivalen erhalten hatten, sagte Müller: „Dreimal ist ernst. Man kann es ohne viel Zögern eine hervorragende Leistung nennen. "
Saida Gelati-Khalifa in ihrem Pariser Labor
Gelati Khalifa verbessert ihr Experiment seit 22 Jahren. Es misst die Feinstrukturkonstante durch Messen des Ausmaßes der Ablenkung von Rubidiumatomen, wenn sie ein Photon absorbieren. Müller macht dasselbe mit Cäsiumatomen. Die Ablenkungsrate charakterisiert die Masse der Rubidiumatome - in einer einfachen Formel für die Feinstrukturkonstante ist dies der am schwierigsten zu messende Begriff. „Der Engpass ist immer der am wenigsten genau gemessene Wert, daher führt jede Verbesserung in diesem Bereich zu einer Verfeinerung der Feinstrukturkonstante“, erklärte Müller.
Die Pariser Experimentatoren kühlten die Rubidiumatome zunächst auf nahezu Null ab und warfen sie dann in eine Vakuumkammer. Während die Atomwolke abstieg, brachten die Forscher sie mithilfe von Laserpulsen in eine Quantenüberlagerung zweier Zustände - Kollision mit einem Photon und nicht Kollision. Die zwei wahrscheinlichen Versionen jedes Atoms bewegten sich auf getrennten Wegen, bis neue Laserpulse die Hälften der Überlagerung wieder zusammenbrachten. Je stärker das Atom bei der Kollision mit einem Photon abgelenkt wurde, desto stärker unterschied es sich in seiner Phase von seiner anderen Version, die nicht mit dem Photon kollidierte. Die Forscher haben diesen Unterschied durch Berechnung der Durchbiegungsrate gemessen. "Aus der Ablenkungsrate erhalten wir die Masse des Atoms, und die Masse des Atoms bestimmt direkt die Feinstrukturkonstante", sagte Gelati-Khalifa.
Bei so präzisen Experimenten zählt alles. Die erste Tabelle der neuen Arbeit zeigt das "Fehlerbudget" - 16 mögliche Fehlerquellen und Ungenauigkeiten, die sich auf das Endergebnis auswirken. Dies schließt die Schwerkraft und die Coriolis-Kraft aufgrund der Erdrotation ein, die beide sorgfältig berechnet und bei Messungen berücksichtigt wurden. Der größte Beitrag zum Fehlerbudget resultiert aus den Nachteilen des Lasers, den Wissenschaftler seit vielen Jahren ständig verbessern.
Für Gelati Khalifa ist es am schwierigsten, herauszufinden, wann die Ergebnisse anzuhalten und zu veröffentlichen sind. Er und das Team stoppten am 17. Februar 2020 - als das Coronavirus in Frankreich an Fahrt gewann. Auf die Frage, ob die Entscheidung eines Wissenschaftlers, wann ein Werk veröffentlicht werden soll, den Gedanken eines Künstlers entspricht, wann ein Gemälde als vollständig betrachtet werden soll. Gelati Khalifa antwortete: "Genau, genau, genau."
Die Überraschung war, dass sich das Ergebnis seiner Messungen vom Ergebnis von Müller aus dem Jahr 2018 an der zehnten Stelle nach dem Dezimalpunkt unterscheidet - dieser Unterschied ist größer als der Fehler beider Messungen. Dies bedeutet, dass mit Ausnahme grundlegender Unterschiede zwischen Rubidium und Cäsium eine oder beide Messungen einen nicht berücksichtigten Fehler enthalten können. Die Messung der Pariser Gruppe ist genauer, daher hat sie vorerst einen Vorteil, aber beide Teams werden ihren Versuchsaufbau verbessern und es erneut versuchen.
Obwohl die beiden Messungen unterschiedlich sind, liegen sie nahe am Alpha-Wert, der aus genauen G-Faktor- Messungen erhalten wurde. Elektron - eine Konstante, die mit seinem magnetischen Moment verbunden ist, in der Tat das Drehmoment, das es in einem Magnetfeld erfährt. "Die Feinstrukturkonstante kann durch eine Vielzahl von Formeln mit dem g-Faktor in Beziehung gesetzt werden", sagte Cornell. "Und wenn die Gleichungen des Standardmodells nicht genügend physikalische Effekte enthalten würden, würden wir die falschen Antworten erhalten."
Tatsächlich stimmen jedoch alle Messungen perfekt überein, was einige Annahmen über die Existenz neuer Partikel größtenteils zurückweist. Das Zusammentreffen der besten Messung des g-Faktors und der Messung von Müller im Jahr 2018 wurde als größter Triumph des Standardmodells gefeiert. Das neue Ergebnis von Gelati Khalifa entspricht noch besser den Erwartungen. "Dies ist die beste Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment", sagte sie.
Und doch sind er und Müller entschlossen, die Experimente weiter zu verbessern. Das Berkeley-Team wechselte zu einem neuen Laser mit einem breiteren Strahl (der es ermöglicht, gleichmäßiger auf die Wolke der Cäsiumatome zu schießen). Das Pariser Team plant, die Vakuumkammer auszutauschen und weitere Verbesserungen vorzunehmen.
Was für ein Mensch muss man sein, um so viel Energie für ein so bescheidenes Ergebnis aufzuwenden? Gelati Khalifa nannte drei Eigenschaften: "Sie müssen gewissenhaft, leidenschaftlich und ehrlich mit sich selbst sein." Mueller sagte: „Ich finde das alles sehr interessant. Persönlich liebe ich es, glänzende neue Ausrüstung zu bauen. Und wende sie auf einige wichtige Dinge an. " Er bemerkte, dass niemand im Alleingang einen Hochenergie-Collider wie den European Large Hadron Collider bauen kann. Bei der Montage eines hochpräzisen Instruments ist es jedoch möglich, "Messungen durchzuführen, die für die Grundlagenphysik wichtig sind, und nur drei oder vier von uns zu bearbeiten".