„Für uns ist der ERC Advanced Grant sehr wichtig, denn nur so können wir nun unsere Forschung am Wasserstoff fortsetzen. Eine neue Physik jenseits des Standardmodells lauert möglicherweise in den Nachkommastellen und an die gelangen wir nur mit ultrapräzisen spektroskopischen Messungen“, sagt Thomas Udem, Leiter der Forschungsgruppe.
Max Planck Institut für Quantenoptik

# Grundlagen der Quantenphysik

Leiter: Prof. Dr. Thomas Udem

Oft waren es genau die Diskrepanzen zwischen Theorie und Experiment, die die Physik entscheidend vorangetrieben haben. So ist auch die Quantenelektrodynamik kurz QED entstanden. Sie ist heute die genaueste Theorie in der Physik und diente als Blaupause für alle nachfolgenden Feldtheorien. Wie jedoch aus Beobachtungen des Kosmos bekannt ist, muss es bislang unbekannte Physik jenseits des sogenannten Standardmodells geben. Sie liegt wahrscheinlich dort verborgen, wo noch niemand gesucht hat, z.B. bei sehr hohen Energien oder extremer Präzision. Um mit der sogenannten Präzisionsgrenze weiterzukommen, ist die Spektroskopie von atomarem Wasserstoff und ähnlichen Systemen nahezu unerlässlich. Denn in der Einfachheit ihrer Struktur mit nur einem Elektron liegt der Schlüssel zur Entdeckung neuer fundamentaler Physik.

Direkte Frequenzkamm Spektroskopie des 1s-3s Übergangs im atomaren Wasserstoff. Die Atome werden aus entgegengesetzter Richtung mit Laserpulsen beleuchtet, um die Energie des gebundenen Elektrons sehr präzise zu messen. Diese Energie übersetzt sich in die angegebene Frequenz des Laserlichts. Diese wird mit quantenmechanischen Berechnungen verglichen, die sich aus Feynman-Diagrammen (schematisch eingezeichnet) ergeben. 

Direkte Frequenzkamm Spektroskopie des 1s-3s Übergangs im atomaren Wasserstoff. Die Atome werden aus entgegengesetzter Richtung mit Laserpulsen beleuchtet, um die Energie des gebundenen Elektrons sehr präzise zu messen. Diese Energie übersetzt sich in die angegebene Frequenz des Laserlichts. Diese wird mit quantenmechanischen Berechnungen verglichen, die sich aus Feynman-Diagrammen (schematisch eingezeichnet) ergeben. 

Direkte Frequenzkamm Spektroskopie des 1s-3s Übergangs im atomaren Wasserstoff. Die Atome werden aus entgegengesetzter Richtung mit Laserpulsen beleuchtet, um die Energie des gebundenen Elektrons sehr präzise zu messen. Diese Energie übersetzt sich in die angegebene Frequenz des Laserlichts. Diese wird mit quantenmechanischen Berechnungen verglichen, die sich aus Feynman-Diagrammen (schematisch eingezeichnet) ergeben.

© Dennis Luck, MPQ

Direkte Frequenzkamm Spektroskopie des 1s-3s Übergangs im atomaren Wasserstoff. Die Atome werden aus entgegengesetzter Richtung mit Laserpulsen beleuchtet, um die Energie des gebundenen Elektrons sehr präzise zu messen. Diese Energie übersetzt sich in die angegebene Frequenz des Laserlichts. Diese wird mit quantenmechanischen Berechnungen verglichen, die sich aus Feynman-Diagrammen (schematisch eingezeichnet) ergeben.

© Dennis Luck, MPQ

Die Quantenelektrodynamik testen zu wollen bedeutet, in so vielen Messungen wie möglich die Konsistenz der Parameter zu überprüfen, auf denen die Theorie basiert. Spektroskopische Daten liefern zudem den Input für die Bestimmung der besten Werte für die Fundamentalkonstanten. Die größte Hebelwirkung bei der Bestimmung der Rydberg-Konstante liegt derzeit in der 1S-3S-Übergangsfrequenz, die die Gruppe um Thomas Udem im Rahmen dieses Vorschlags verbessern will.

Eine zweite Apparatur liefert einen kalten Strahl aus atomarem Wasserstoff und Deuterium im metastabilen 2S-Zustand. Dieser wird in einer Reihe von Messungen, die den 2S-Zustand als Grundzustand verwenden, benutzt. Als weiteren Schritt wollen die Physiker eine Methode zum Einfangen von atomarem Wasserstoff in einer optischen Dipolfalle entwickeln, in der sie die Atome so fixieren können, dass sich seine Anregung besonders genau bestimmen lässt. Gefangene Wasserstoffatome lassen sich für eine neuartige optische Atomuhr nutzen, deren Frequenz mit Hilfe der QED berechenbar ist. Damit ließe sich die Definition der Sekunde auf andere Naturkonstanten zurückführen. Ein solches Verfahren eröffnet Vorteile bei der Realisierung von Maßeinheiten und wird bereits bei allen anderen Einheiten verwendet.

Aufbau des neuen Experiments zur Entwicklung einer optischen Wasserstoffuhr.

Aufbau des neuen Experiments zur Entwicklung einer optischen Wasserstoffuhr.

Aufbau des neuen Experiments zur Entwicklung einer optischen Wasserstoffuhr.

© C.Hohmann/MCQST

Aufbau des neuen Experiments zur Entwicklung einer optischen Wasserstoffuhr.

© C.Hohmann/MCQST

„Für uns ist der ERC Advanced Grant sehr wichtig, denn nur so können wir nun unsere Forschung am Wasserstoff fortsetzen. Eine neue Physik jenseits des Standardmodells lauert möglicherweise in den Nachkommastellen und an die gelangen wir nur mit ultrapräzisen spektroskopischen Messungen“, sagt Thomas Udem, Leiter der Forschungsgruppe.

Beschäftigt in der Gruppe von Thomas Udem sind derzeit zwei Postdoktoranden, ein Doktorand, zwei Masterstudenten und zwei Praktikanten. Für das neue auf fünf Jahre angelegte Projekt H-SPECTR will die Gruppe noch weitere Stellen – mindestens zwei Doktorandenstellen und eine Postdoktorandenstelle besetzen. Bewerber:innen können ihre Unterlagen direkt an Thomas Udem unter thomas.udem@mpq.mpg.de senden.

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