Fundamente der Physik bestätigt

26.09.2014

Fundamente der Physik bestätigt

Einsteins Zeitdehnung und die Quantenelektrodynamik im Experiment

Die spezielle Relativitätstheorie Albert Einsteins und die Quantenelektrodynamik sind zwei wesentliche Fundamente der modernen Physik. Die Arbeitsgruppe von Prof. Wilfried Nörtershäuser stellte jetzt mit Kollegen von internationalen Universitäten und Instituten in zwei Experimenten am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung diese Theorien erneut auf den Prüfstand.

Speicherring ESR (ExperimentierSpeicherRing) am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung. Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung / A. Zschau
Beide Theorien wurden mit Hilfe des Schwerionen-Speicherring ESR am GSI noch einmal auf die Probe gestellt. Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung / A. Zschau

Um eventuelle Grenzen der beiden Theorien auszuloten, werden diese experimentell immer wieder überprüft. Da beide alle bisherigen Tests bestanden haben, wird nach Abweichungen in Experimenten bei höherer Präzision oder unter extremen Bedingungen gesucht.

Dazu hat das Team um Nörtershäuser nun Ionen auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und mit einem Laser beleuchtet.

Die in zwei neuen Publikationen vorgestellten Ergebnisse bestätigen zum einen die in der Relativitätstheorie vorhergesagte Zeitdehnung bei hohen Geschwindigkeiten mit einer nie zuvor erreichten Genauigkeit. Außerdem gelang erstmals der direkte Nachweis einer Spektrallinie in hochgeladenen Wismutionen, nach der an der GSI und an anderen Forschungseinrichtungen fast 14 Jahre lang vergeblich gesucht wurde.

Einstein erneut bestätigt

In einem Experiment am Schwerionen-Speicherring ESR des GSI konnte die Zeitdehnung (Zeitdilatation) bei einer Geschwindigkeit von rund 34 Prozent der Lichtgeschwindigkeit gemessen werden. Die Vorhersage Einsteins, dass die Taktfrequenz einer Uhr von ihrer Geschwindigkeit abhängt, gehört zu den seltsamsten Konsequenzen der Relativitätstheorie.

Da sich makroskopische Uhren nicht auf ausreichend hohe Geschwindigkeiten bringen lassen, verwendeten die Wissenschaftler Atomuhren in Form einfach geladener Lithiumionen. Das Grundprinzip der Experimente hatte schon Einstein selbst vorgeschlagen. Erstmals realisiert wurde es 1938 von Ives und Stilwell mit Wasserstoffatomen, die so die Zeitdehnung mit einprozentiger Genauigkeit nachweisen konnten.

In modernen Experimenten erfolgt das „Ablesen“ dieser Uhren mit Hilfe von zwei Laserstrahlen, von denen einer den Ionen entgegen und der zweite hinterher gesendet wird. Die Fluoreszenz der Ionen beobachtet man mit Photodetektoren. Nur wenn beide Laser gleichzeitig mit den Ionen in Resonanz treten, kann dauerhaft Fluoreszenzlicht ausgestrahlt werden. Wenn das Signal maximal ist, misst man die Frequenzen beider Laser. „Das Produkt dieser Frequenzen, geteilt durch das Produkt der bekannten Resonanzfrequenzen der ruhenden Ionen muss gemäß Relativitätstheorie exakt 1 sein. Eine Abweichung davon würde bedeuten, dass die Formel für die Zeitdehnung inkorrekt ist“, erläutert Nörtershäuser.

Das Ergebnis bestätigt die Einstein‘sche Vorhersage auf zwei Milliardstel genau, rund viermal genauer als im Vorgängerexperiment, das am Heidelberger Testspeicherring (TSR) bei 6,4 Prozent der Lichtgeschwindigkeit durchgeführt worden war.

Test of Time Dilation Using Stored Li+ Ions as Clocks at Relativistic Speed. Phys. Rev. Lett. 113, 120405, 2014

Ein 14 Jahre altes Rätsel ist gelöst

In einem zweiten Experiment gelang der Arbeitsgruppe ein weiterer Durchbruch in einem Präzisionsexperiment. Hier wurde die Quantenelektrodynamik (QED) in den stärksten im Labor zur Verfügung stehenden Magnetfeldern getestet. Diese Felder treten an der Oberfläche von schweren Atomkernen auf. Sie entsprechen etwa dem 100-Millionen-fachen der stärksten statischen Magnetfelder, die mit supraleitenden Magneten heute herstellbar sind.

Bei Experimenten mit schweren hochgeladenen Ionen werden diese Felder zugänglich. Im Experiment wurden Wismutionen verwendet, die nur noch ein Elektron oder drei Elektronen besitzen. Während die Resonanz in Wismutionen mit nur einem Elektron bereits 1994 an der GSI gemessen wurde, hat sich die des lithiumartigen Wismuts bis vor kurzem jeglicher Beobachtung entzogen. Aber nur aus der Kombination beider Übergänge ergibt sich ein aussagekräftiger Test der QED.

Diese Ionen wurden im ESR bei etwa 71 Prozent der Lichtgeschwindigkeit gespeichert und mit einem Laser bestrahlt. Erneut wird die Fluoreszenz der Ionen nachgewiesen. „Als wir mit den Vorbereitungen des Experimentes begannen, wurde uns schnell klar, dass der Nachweis der Photonen einer der kritischsten Punkte war“, erklärt Dr. Matthias Lochmann von der Universität Mainz. „Es ist unmöglich Detektoren um den gesamten Ring herum anzubringen. Wir haben stattdessen an einer Position innerhalb des Rings ein besonders effizientes Nachweissystem eingebaut“, beschreibt Dr. Raphael Jöhren aus der Arbeitsgruppe von Prof. Weinheimer an der Universität Münster seinen Beitrag zum Experiment.

Mit diesem Detektor, einem neuen Lasersystem und einer ausgeklügelten Datenaufnahme gelang es den Wissenschaftlern erstmals den lang gesuchten Übergang zu beobachten Damit konnten sie die inzwischen aufgekommenen Zweifel an der theoretischen Vorhersage ausräumen.

Observation of the hyperfine transition in lithium-like bismuth 209Bi80+: Towards a test of QED in strong magnetic fields. Phys. Rev. A 90, 030501(R), 2014

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