Überprüfung der Quantenelektrodynamik mit Lithium Ionen

• Antragsteller: Dr. Akira Ozawa
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 535639992

Die Quantenelektrodynamik (QED) gilt als die am besten getestete Theorie in der gesamten Physik und dient als Blaupause für alle anderen Quantenfeldtheorien. Die QED zu testen bedeutet, ihre Vorhersagen mit experimentellen Ergebnissen zu vergleichen. Zu diesem Zweck benötigt man Systeme, die sowohl berechnet als auch mit hoher Genauigkeit vermessen werden können. Atomarer Wasserstoff ist in dieser Hinsicht der Goldstandard. Spektroskopie am muonischen Wasserstoff ergab einen Wert für den Protonenladungsradius, der 20-mal genauer ist als der akzeptierte CODATA Wert, aber um mehr als 5 Standardabweichungen von diesem abweicht. Dieses Problem, welche als „proton radius puzzle“ in die Fachliteratur einging, schien zunächst auf ein Versagen der QED und somit auf Physik jenseits des Standardmodels hinzuweisen. Diese Diskrepanz zeigt, wie wichtig es ist, die QED mit anderen Systemen als nur mit dem regulären atomaren Wasserstoff zu testen. QED-Berechnungen für Dreikörpersysteme sind in den letzten Jahren sehr viel genauer geworden. Das neutrale Heliumatom ist eines der einfachsten Modellsysteme für solche Berechnungen. Deshalb werden viele Übergänge in Helium untersucht. In diesem Proposal schlagen wir vor, die Helium-Arbeiten auf heliumähnliche Lithium-Ionen auszuweiten. QED-Korrekturen höherer Ordnung, die mit hohen Potenzen der Kernladung Zskalieren, sind in Li+ stärker ausgeprägt als in neutralem Helium. QED-Tests mit neutralem Helium sind experimentell durch verschiedene systematische Effekte eingeschränkt, die auf die Bewegung der Atome zurückzuführen sind. In dem hier vorgeschlagenen Projekt planen wir die Spektroskopie an gespeicherten Li+-Ionen durchzuführen deren Bewegung durch Laserkühlung oder sympathetische Kühlung stark eingeschränkt wird. Systematische Effekte, die durch die Ionenbewegung entstehen, können in einer modernen Ionenfalle deutlich reduziert werden. Mit der Reduzierung der Messunsicherheit, der hohen Empfindlichkeit gegenüber der QED-Korrekturen höherer Ordnung und der jetzt möglichen Brechungen, erwarten wir, dass Li+ einen unabhängigen und präzisen Test der QED ermöglicht. Zusammenfassend besteht das Ziel dieses Projekts darin hochpräzise Spektroskopie an mehreren Übergängen in Li+-Ionen durchzuführen und auf diese Weise neue Erkenntnisse über die QED zu gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Thomas Udem