/ via Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg /
Die hochgenaue Messung der Eigenschaften eines molekularen Wasserstoffions überprüft neue Vorhersagen der fundamentalen Quantentheorie und legt damit die Grundlage für eine bessere Bestimmung fundamentaler Konstanten.
Das Verständnis, wie die einfachsten Bausteine der Materie miteinander wechselwirken, ist das Fundament der modernen Physik. Der Vergleich von Eigenschaften, die sowohl mit hoher Präzision gemessen als auch berechnet werden können, ermöglicht Tests der grundlegendsten Modelle, die das Universum beschreiben. Das molekulare Wasserstoffion HD+, ein gebundenes System, welches nur aus einem Proton, einem Deuteron und einem einzelnen Elektron besteht, bietet eine hervorragende Plattform für solche Tests. In HD+ wechselwirken die Spins der Molekül-Bestandteile miteinander, was zur sogenannten Hyperfeinstruktur führt. Forschende am ALPHATRAP -Experiment am Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) haben ein einzelnes HD+-Ion isoliert und in einer Penningfalle gefangen und konnten so dessen Hyperfeinstruktur präzise untersuchen.
Dem Team gelang es, die magnetischen Eigenschaften des an das Proton und Deuteron gebundenen Elektrons, den g-Faktor, mit einer relativen Genauigkeit von 2 zu 10 Milliarden zu bestimmen. Anschließend verglichen sie diesen Wert mit neu veröffentlichten theoretischen Vorhersagen, die eine noch leicht bessere Präzision aufwiesen und konnten dabei eine hervorragende Übereinstimmung feststellen. Ihre Messungen konnten zudem die Wechselwirkungen zwischen dem Elektron und dem Proton sowie zwischen dem Elektron und dem Deuteron untersuchen, welche die Quantentheorie ebenfalls vorhersagen kann.
In den letzten Jahren sind Präzisionsmessungen mit den einfachsten Molekülen, wie HD+, zu einem wichtigen Prüfstand für die Quantentheorie geworden und ermöglichen es Forschenden, fundamentale Größen wie die Masse des Protons relativ zur Masse des Elektrons zu bestimmen. Diese Werte stellen wichtige Säulen der zugrunde liegenden Theorien dar.
„Im Gegensatz zu früheren Untersuchungen an Ein-Elektron-Molekülen konnten wir ein einzelnes HD+-Ion verwenden und seinen Zustand nachweisen, indem wir die winzigen Ströme maßen, die das geladene Teilchen in nahegelegenen Fallelektroden induziert.“ merkt Matthew Bohman vom MPIK an. „Ein wichtiger Aspekt“, ergänzt Charlotte König, Erstautorin der Studie, „ist, dass dieselbe Messsequenz für Antimaterie-Moleküle verwendet werden kann. Sobald es möglich ist, diese Moleküle zu erzeugen, können sie auf genau dieselbe Weise gefangen und detektiert werden.“
Vorerst hofft die Gruppe jedoch, dass ihre Arbeit weitere theoretische und experimentelle Untersuchungen einfacher Molekülionen anregt. „Wir konnten Experiment und Theorie mit nie dagewesener Präzision im molekularen Grundzustand von HD+ vergleichen“, führt ALPHATRAP-Gruppenleiter Prof. Sven Sturm aus. „Wir hoffen bald ähnliche Messungen durchzuführen, bei denen das Ion angeregt ist und somit schwingt und rotiert. Diese Anregungen können wir mithilfe hochstabiler Laser induzieren, um noch höhere Präzision zu erreichen und andere Aspekte der Theorie zu testen.“
An der Zusammenarbeit waren nicht nur Forschende des MPIK beteiligt, sondern auch der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (Düsseldorf, DE), des Laboratoire Kastler Brossel (Paris, FR), der Universität Kassel (Kassel, DE) und der Bulgarischen Akademie der Wissenschaften (Sofia, BG). Die zugrundeliegende Veröffentlichung ist in Physical Review Letters erschienen.
Originalpublikation:
Charlotte M. König, Matthew Bohman, Fabian Heiße et al.; High-precision Penning trap spectroscopy of the ground state spin structure of HD+; Phys. Rev. Lett. (8 April 2026), DOI: https://doi.org/10.1103/vrl8-bpmz
