Überprüfung der Quantenelektrodynamik mit atomaren Wasserstoff

• Antragsteller: Dr. Artur Matveev, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 390524307

Ziel des Projektes ist es, die bisherigen Möglichkeiten zum Test der Quantenelektrodynamik (QED) mittels Laserspektroskopie an Wasserstoff oder ähnlich einfachen Systemen zu verbessern. Die QED erlaubt es, die Übergangsenergie einfacher atomarer Systemen mit einer sehr hohen Präzision zu berechnen. Vergleiche zwischen theoretischen Voraussagen mit experimentellen Ergebnissen stellen präzise Tests der QED dar und erlauben es die Werte von fundamentalen Konstanten, wie die Rydberg-Konstante und den Proton-Ladungsradius, zu ermitteln. Der weitere Fortschritt auf diesem Gebiet erfordert neben verbesserten experimentellen Möglichkeiten die Vermessung von relativ breiten Übergängen mit Unsicherheiten auf dem Niveau von 100 ppm der beobachteten Linienbreite. Dies stellt ein schwerwiegendes Problem dar und behindert seit nunmehr fast 20 Jahren die Weiterentwicklung. In den letzten Jahren habe ich einen Code entwickelt, der alle bekannten Linienformverzerrungseffekte unter Verwendung einer zeitabhängigen Dichtematrixgleichung behandelt und diese mit einer aufwendigen Monte-Carlo-Simulation kombiniert. Dieses Modell war der entscheidende Bestandteil zum Verständnis der experimentellen Linienform des 2S-4P Übergangs im atomaren Wasserstoff. Damit konnten wir das sogenannte Proton Size Puzzle aufklären. Wir arbeiten zur Zeit an den sehr wohlwollenden Review Reports von Science.Ein wichtigstes nächstes Ziel ist die Erweiterung meines Codes auf andere Linienformen, die derzeit durch Experimente zugänglich werden. Dazu zählen die 2S-nP (n=6,8,9,10) Übergänge in atomarem Wasserstoff und Deuterium. Wegen der großen Zahl der Zerfallskanäle sind diese deutlich komplizierter. Während die Modellierung des 2S-4P Übergangs 2704 gekoppelte partielle Differentialgleichungen umfaßt, benötigt der 2S-6P Übergang bereits 22.500 Gleichungen, die ich mit Hilfe von symbolischer Computeralgebra analytisch behandle. Die Weiterentwicklung des Codes ermöglicht es, auch zukünftige Daten aus den Experimenten am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching zu analysieren. Außerdem könnte sie für ähnliche Experimente am Laboratoire Kastler Brossel, Paris und York University, Toronto nützlich sein. Ich plane daher einen universellen Code auf einer Open-Source-Plattform mit einer Benutzeroberfläche erstellen. Darüber hinaus erlauben die jüngsten Fortschritte in der theoretischen Physik es inzwischen 3 und 4 Körpersysteme (Moleküle, antiprotonisches Helium etc.) präzise zu berechnen. Daher ist mit einer wachsende Nachfrage der präzisen Modellierung von experimentellen Daten zu rechnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Theodor W. Hänsch; Professor Dr. Randolf Pohl; Professor Dr. Thomas Udem