Exotische Atome: Eine Teststätte für QED

• Antragsteller: Jonas Sommerfeldt
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546193616

In diesem Projekt soll die Genauigkeit von theoretischen Vorhersagen des Standardmodells für Übergänge in exotischen Atomen verbessert werden, um diese mit Spektroskopie Experimente zu vergleichen. Durch solche Studien kann eine der wichtigsten Vorhersagen der Quantenelektrodynamik (QED), die Lamb-Verschiebung, in bisher ungetesteten Parameterbereichen verifiziert und es können mögliche Hinweise auf „Neue Physik“ identifiziert werden. In exotischen Atomen wurden eines oder mehrere der Elektronen in der Atomhülle durch ein exotisches, negativ geladenes Teilchen ersetzt. Dieses Teilchen kann beispielsweise ein Muon oder Antiproton sein, welche beide deutlich schwerer als das Elektron sind und dadurch einen Orbit einnehmen, der um ein Vielfaches näher am Atomkern liegt, als bei einem Elektron in einem äquivalenten Zustand. In der Literatur wurde bereits gezeigt, dass es in exotischen Atomen möglich ist, Effekte der Quantenelektrodynamik zu testen, die bisher nicht zugänglich waren. In elektronischen Atomen mit einer großen Ordnungszahl ist es beispielweise kaum möglich, QED-Korrekturen zu den atomaren Energieniveaus, die über die führende Ordnung in der Störungstheorie hinaus gehen, mit Experimenten zu vergleichen. Das liegt daran, dass die Größe des Atomkerns experimentell bestimmt werden muss und die vorhandenen Werte mit Ungenauigkeit verbunden sind. Diese Ungenauigkeiten wirken sich auch auf Vorhersagen von Energieniveaus aus und sind für schwere Atomkerne häufig bereits größer als die QED-Korrekturen zweiter Ordnung. Gerade für schwere Atomkerne ist es aber besonders interessant die Vorhersagen der Quantenelektrodynamik zu testen, da die Wechselwirkung von Atomkern und des umkreisenden Teilchens hier nicht mehr perturbativ beschrieben werden kann und dadurch nicht-perturbative Aspekte der QED getestet werden können. Vergangene Studien haben gezeigt, dass dieses Problem in exotischen Atomen deutlich abgeschwächt werden kann, da man durch den kleineren Orbit der Teilchen Übergänge wählen kann, für welche die QED-Korrekturen im Vergleich zu den Ungenauigkeiten durch den nicht exakt bekannten Kernradius um einige Größenordnungen verstärkt sind. Um dieses Potential auszunutzen, müssen die QED-Korrekturen zweiter Ordnung in exotischen Atomen allerdings zuerst mit großer Genauigkeit berechnet werden. Während solche Rechnungen für elektronische Atome bereits zu großen Teilen existieren, gibt es noch viele fehlende Beiträge für muonische und antiprotonische Atome. In diesem Projekt sollen genau diese fehlenden Korrekturen berechnet werden, um die theoretischen Werte für Übergänge in exotischen Atomen zu verbessern. Diese Berechnungen werden dabei helfen, Experimente zu analysieren und zu leiten, wie sie im Rahmen des muX Projekts, in der QUARTET Kollaboration oder der HEATES Kollaboration, durchgeführt werden, wodurch eine genauere Untersuchung von Atomkernen, eine vollständigere Verifikation der QED und die Suche nach „Neuer Physik“ möglich sind.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Gastgeber: Professor Dr. Paul Indelicato