Alternative Methode zur Untersuchung schwerer Moleküle wird die Suche nach Phänomenen jenseits des Standardmodells erleichtern
Die Suche nach physikalischen Phänomenen, die über das Standardmodell hinausgehen, erfordert häufig den Zugang zu leistungsstarken Instrumenten wie dem Large Hadron Collider, unterirdischen Detektoren für Neutrinos, dunkle Materie und exotische Teilchen. Der Bau und die Wartung solcher Geräte sind extrem teuer, ihre Herstellung dauert viele Jahre, und sie sind knapp, was zu langen Warteschlangen bei den Wissenschaftlern führt. Dank Wissenschaftlern aus den Niederlanden könnte sich dies nun ändern. Sie haben eine Technik entwickelt, um schwere Moleküle unter Laborbedingungen einzusperren und zu untersuchen.
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Schwere Moleküle sind ein hervorragendes Objekt für die Erforschung des elektrischen Dipolmoments des Elektrons. Mit den bisher angewandten Methoden war es jedoch nicht möglich, sie in einer kleinen Laborumgebung einzufangen.
Die Standardtechniken zur Bestimmung des elektrischen Dipolmoments des Elektrons (eEDM) verwenden hochpräzise Spektroskopie. Dazu müssen die Moleküle jedoch zunächst abgebremst und mit einem Laser oder einer elektrischen Falle eingefangen werden. Das Problem ist, dass zur Entdeckung von Phänomenen, die über das Standardmodell hinausgehen, möglicherweise Moleküle eingefangen werden müssen, die zu schwer sind, um sie mit dem Laser einzufangen. Elektrische Fallen hingegen ermöglichen den Einfang schwerer Ionen, nicht aber den Einfang elektrisch träger Moleküle.
Forscher der Universität Groningen, der Vrije Universiteit Amsterdam und des Nikhef-Instituts begannen ihre Arbeit mit der Schaffung von Strontiumfluorid (SrF)-Molekülen, die durch chemische Reaktionen in einem kryogenen Gas bei einer Temperatur von etwa 20 Kelvin entstanden. Dank der niedrigen Temperatur haben diese Moleküle eine Anfangsgeschwindigkeit von 190 m/s, während sie bei Raumtemperatur etwa 500 m/s beträgt. Anschließend werden die Moleküle in einen 4,5 Meter langen Stark-Verzögerer geleitet, wo sie durch elektrische Wechselfelder zunächst abgebremst und dann gestoppt werden. Die SrF-Moleküle bleiben 50 Millisekunden lang gefangen. Während dieser Zeit können sie mit einem speziellen Laser-induzierten System analysiert werden. Solche Messungen ermöglichen die Untersuchung der Eigenschaften der Elektronen, einschließlich des elektrischen Dipolmoments, so dass nach Anzeichen von Asymmetrie gesucht werden kann.
Das Standardmodell sagt die Existenz eines eEDM voraus, das jedoch einen extrem kleinen Wert hat. Daher wurde diese Eigenschaft bisher nicht beobachtet. Die Beobachtung und Untersuchung des eEDM könnte auf die Existenz einer Physik jenseits des Standardmodells hinweisen.
Die von den Niederländern untersuchten SrF-Moleküle haben eine Masse, die etwa dreimal so groß ist wie die anderer Moleküle, die bisher mit ähnlichen Methoden untersucht wurden. Unser nächstes Ziel ist es, noch schwerere Moleküle einzufangen, wie z. B. Bariumfluorid (BaF), das die 1,5-fache Masse von SrF hat. Ein solches Molekül wäre ein noch besseres Ziel für eEDM-Messungen, sagt Steven Hoekstra, Physiker an der Universität Groningen. Denn je schwerer das Molekül ist, desto genauer können die Messungen sein.
Die Fähigkeit, schwere Moleküle einzufangen, ist jedoch nicht nur für die Untersuchung des elektrischen Dipolmoments eines Elektrons nützlich. Es kann auch dazu verwendet werden, schwere Moleküle bei niedrigen Energien aufeinanderprallen zu lassen, um die Bedingungen im Weltraum zu simulieren. Dies wiederum wird bei der Untersuchung von Wechselwirkungen auf der Quantenebene von Nutzen sein. Hoekstra sagt, dass er und seine Kollegen auch daran arbeiten werden, die Empfindlichkeit der Messungen zu erhöhen, indem sie die Intensität des Molekülflusses steigern. Wir werden auch versuchen, komplexere Moleküle, wie BaOH oder BaOCH3, einzufangen. Außerdem werden wir unsere Technik nutzen, um Asymmetrien in chiralen Molekülen zu untersuchen, kündigt er an.