Neuer Wert für die Feinstrukturkonstante – die Grundmenge der Physik bestätigt das Standardmodell und reduziert den Raum für dunkle Materie

Grundvariable: Die Physiker haben den bislang genauesten Wert für die Feinstrukturkonstante ermittelt – die Konstante, die die grundlegende Wechselwirkung von Licht mit geladenen Teilchen beschreibt. Der neue Wert ist fast dreimal genauer als frühere Messungen und bestätigt unter anderem, dass das Elektron tatsächlich ein unteilbares Elementarteilchen ist. Darüber hinaus wird das Kandidatenfeld für Partikel der Dunklen Materie weiter eingegrenzt, wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature“ berichteten.

Dies ist eine der Grundgrößen der Natur: Die Feinstrukturkonstante α beschreibt die Stärke der elektromagnetische Wechselwirkung und damit unter anderem, wie starkes Licht mit geladenen Elementarteilchen wie Elektronen oder Myonen interagiert. Weil diese Konstante auch zu vielen anderen führt Grundgrößen und quantenphysikalische Wechselwirkungen wird als wichtige Grundlage für unser physikalisches Standardmodell angesehen. Es ist daher wichtig, sie so genau wie möglich zu kennen.

Ultrakalte Rubidiumatome unter Laserbeschuss

Forscher, die mit Leo Morel von der Sorbonne-Universität in Paris zusammenarbeiten, haben nun den bisher genauesten Wert für die Feinstrukturkonstante ermittelt. Dazu nutzten sie die Tatsache, dass Atome ihren Energiezustand ändern, wenn sie Photonen absorbieren und eine Art Rückstoß erfahren. Die Geschwindigkeit des Rückstoßes gibt die Masse des Atoms an. In Kombination mit der bekannten Masse des Elektrons und der Bindungsenergie des Elektrons im Wasserstoffatom kann dann die Feinstrukturkonstante berechnet werden.

Die Forscher verwendeten für ihr Experiment speziell ultrakalte Rubidiumatome, die mit Magnetfeldern und Laserpulsen in eine Vakuumröhre gehoben und dann durch einen Messabschnitt fallen gelassen werden. Hier nehmen die Atome Photonen auf und verändern durch ihren Rückstoß subtil die Phasen verschiedener Messlaser. Daraus bestimmen Morel und sein Team die Rückspülrate und verwenden sie dann als Grundlage für die Berechnung der Feinstrukturkonstante als reziproken Wert 1 / α.

Elektron bestätigt als wahres Elementarteilchen

Das Ergebnis ist der bisher genaueste Wert für die Feinstrukturkonstante. Ihr Kehrwert ist daher α^-1 = 137,035999206 (11). Die Zahl in Klammern gibt den Unsicherheitsfaktor an. Laut den Forschern ist es 8,1 x 10^-11 oder 81 milliardstel. Laut Morel und seinem Team ist es fast dreimal genauer als frühere Messungen. Mit diesem Wert können auch andere Konstanten und grundlegende Vorhersagen des Standardmodells überprüft werden.

„Diese Ergebnisse bestätigen beispielsweise, dass das Elektron keine Substruktur aufweist und ein echtes Elementarteilchen ist“, erklärt der Physiker Holger Müller von der University of California in Berkeley, Berkeley, der nicht an der Studie beteiligt ist, in einer begleitenden Bemerkung. . „Wenn das Elektron aus kleineren Einheiten bestehen würde, hätte es ein anderes magnetisches Moment.“ Letzteres kann aus der Feinstrukturkonstante abgeleitet werden.

Einblicke in Kandidaten für dunkle Materie

Die aktuelle Messung zeigt aber auch viel über die „dunkle Seite“ des Kosmos. Weil der genauere Wert der Feinstrukturkonstante die möglichen Eigenschaften von Partikeln dunkler Materie weiter einschränkt. Dies schließt Kandidaten wie die „Dunkler Bosone„- hypothetische Kraftteilchen, die einige Forscher aufgrund von Abweichungen bei den Quantensprüngen von Ytterbium oder Beryllium postuliert haben.

Die aktuellen Werte, kombiniert mit früheren Messungen, schließen jedoch die Existenz dieser Partikelkandidaten fast vollständig aus, wie Morel und sein Team berichten. Denn dieses dunkle Boson müsste das magnetische Moment des Elektrons auf subtile, aber messbare Weise beeinflussen. Die derzeit festgelegte Feinstrukturkonstante gibt jedoch keinen Hinweis auf einen solchen Einfluss.

Verwechslung von Inkonsistenzen mit früheren Messungen

Die neue Messung wirft jedoch eine Frage auf: Der neue Wert für die Feinstrukturkonstante ist der bisher genaueste, weicht jedoch gleichzeitig um mehr als fünf Standardabweichungen von den beiden vorherigen Messwerten ab. Dazu gehören eine von Morel und seinen Kollegen selbst durchgeführte Messung sowie ein durch Atominterferometrie von Cäsiumatomen von Müller und seinem Team in Berkeley ermittelter Wert.

„Daher werden jetzt Experimente vorbereitet, um den Ursprung dieser Störungen zu klären – und das Standardmodell erneut zu testen“, sagt Müller. (Natur, 2020; doi: 10.1038 / s41586-020-2964-7)

Quelle: Natur, CNRS

3. Dezember 2020

– Nadja Podbregar