Mange atomkerner har et magnetfelt, der ligner jorden. Imidlertid, direkte på overfladen af en tung kerne, såsom bly eller vismut, er det billioner af gange stærkere end Jordens felt og mere sammenlignelig med en neutronstjerne. Hvorvidt vi forstår opførslen af et elektron i så stærke felter er stadig et åbent spørgsmål.
Et forskerteam ledet af Tu Darmstadt i GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research har nu taget et vigtigt skridt i retning af at afklare dette spørgsmål. Deres fund er blevet offentliggjort i Naturfysik. Resultaterne bekræfter de teoretiske forudsigelser.
Hydrogenlignende ioner, dvs. atomkerner, som kun et enkelt elektron er bundet til, er teoretisk især let at beskrive. I tilfælde af tunge kerner med et højt protonantal – for eksempel har bismuth 83 positivt ladede protoner i sin kerne – den stærke elektriske attraktion binder elektronet tæt på kernen og dermed inden for dette ekstreme magnetfelt. Der justerer elektronet sit eget magnetfelt med kernen som en kompasnål.
Ved at levere nøjagtigt den rigtige mængde energi kan denne kompasnål vendes i den modsatte retning. Dette er netop, hvad forskerne har opnået. De var i stand til at anvende metoden for første gang på en radioaktiv isotop, som der var en særlig nøjagtig teoretisk forudsigelse af den krævede mængde energi.
Den krævede energi kan beregnes ved hjælp af kvanteelektrodynamik (QED) – kvanteteorien om elektromagnetisme. Imidlertid gør utilstrækkelig viden om strukturen af sådanne tunge atomkerner nøjagtige forudsigelser vanskelig og har hidtil forhindret en præcis og entydig test af teorien.
Målinger på den stabile isotop BI-209 var for nylig i overensstemmelse med den teoretiske forudsigelse. Der var dog stadig tvivl om, hvorvidt indflydelsen af den nukleare struktur på den teoretiske forudsigelse virkelig kunne fjernes i det omfang, der blev antaget.
For at lukke dette smuthul i den eksperimentelle test blev det foreslået at måle en anden vismuthisotop med en anden nuklear struktur. Desværre har Bismuth ikke en anden stabil isotop, så forskerteamet ledet af professor Wilfried Nörtershäuser måtte ty til en radioaktiv isotop. Isotopen BI-208 var en passende kandidat, da den har en neutron mindre end den stabile isotop og derfor udviser et endnu stærkere magnetfelt.
“Den oprindelige udfordring i dette eksperiment var at generere og isolere den brintlignende ion af den ønskede isotop BI-208,” forklarer Dr. Max Horst, hovedforfatter af undersøgelsen. For at gøre dette blev en neutron slået ud af den stabile BI-209 i en nuklear reaktion, og fragmenterne af denne reaktion blev opsamlet i ESR-eksperimentelle opbevaringsring.
På samme tid skal alle undtagen en af de oprindeligt 83 elektroner fjernes atomet for at generere det brintlignende system. Fragmenterne cirkler i opbevaringsringen med ca. 72% af lysets hastighed eller omkring 200.000 kilometer i sekundet. De hydrogenlignende ioner af isotopen BI-208 blandt dem blev identificeret, og alle uønskede reaktionsprodukter blev fjernet.
“I tidligere målinger af den stabile isotop BI-209 havde vi omkring 1.000 gange flere ioner tilgængelige,” forklarer Horst, “og det er grunden til, at alle aspekter af eksperimentet måtte optimeres med hensyn til effektivitet og følsomhed.”
Målingsprincippet er baseret på at vende elektronens magnetfelt ved at bestråle det med en laserstråle af den rigtige energi. Ionen absorberer en elementær lyspartikel – en foton – fra laserstrålen. Fotonens energi overføres derefter til elektronet og bruges til at vende sit magnetfelt, således at staten med den ugunstige justering i det nukleare magnetfelt nås.
For at slippe af med denne energi vender elektronet tilbage efter cirka en halv millisekund i gennemsnit og udsender en anden foton. På dette tidspunkt har ion allerede cirkelet opbevaringsringen mange hundreder af gange, og disse udsendte fotoner detekteres af følsomme detektorer på et særligt mørkt sted langs opbevaringsringen for at have så lidt baggrund som muligt.
På grund af det lille antal til stede ioner var det vigtigt at forudsige meget nøjagtigt, hvor fotonenergi eller bølgelængde (“farve”) af laseren skulle finde sted. “At søge et stort bølgelængdeområde i en så lav signalrate ville have taget meget tid,” siger Nörtershäuser.
For et par år siden indledte han derfor målinger i CERN -forskningscenteret i Schweiz på neutrale atomer af de to BI -isotoper, som gjorde det muligt at estimeres indflydelse på de forskellige nukleare strukturer. De teoretiske fysikere kombinerede disse oplysninger med den tidligere måling af den brintlignende ion af den stabile isotop for at gøre en meget præcis forudsigelse af overgangsenergien i brintlignende BI-208.
Denne værdi var enig med en fuld kvantemekanisk beregning, men var ca. 10 gange mere nøjagtig. Den eksperimentelle værdi målt ved opbevaringsringen og rapporteret i den nye publikation stemmer overens med denne forudsigelse. Resultatet kan nu bruges til at forudsige påvirkningen af den nukleare struktur på andre ladetilstande for isotopen BI-208, og metoden kan anvendes analogt på andre isotoper af vismut eller andre elementer.