Ein experimenteller Test der ab-initio Theorie der Hyperfeinstruktur des Wasserstoff-Molekülions mit relativer Ungenauigkeit im 10^-7- Bereich

• Antragsteller: Dr. Soroosh Alighanbari; Professor Stephan Schiller, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524038941

Dieses Projekt widmet sich einer Präzisionsmessung der Hyperfeinstruktur (HFS) von molekularen Wasserstoffionen (MHI) und die Gegenüberstellung mit ihrer theoretischen Vorhersage. Die HFS-Struktur von MHI bietet viel mehr Möglichkeiten für einen hochpräzisen Vergleich von Theorie und Experiment als die HFS von Wasserstoff (H) und Deuterium (D). Während bei letzterer die Kernbeiträge (3x10^-5), die nicht ab initio bestimmt werden können, die Genauigkeit begrenzen, kann die HFS von MHI auf dem Niveau von etwa 1x10^-6 vorhergesagt werden, indem die bereits erhaltenen theoretischen und experimentellen Ergebnisse zu H/D mit einer ausgefeilten quantenelektrodynamischen Behandlung kombiniert werden (Korobov et al. 2020, Karr et al. 2020, Haidar et al. 2022). Die relative Unsicherheit ist dann etwa 40-mal kleiner als bei den atomaren Systemen. Diese neuesten theoretischen Ergebnisse haben die Unsicherheiten der größten Koeffizienten des HFSHamiltonoperators, des Kern-Spin-Elektron-Spin- Wechselwirkungskoeffizienten (Karr et al. 2020) und des Elektron-Spin-Rotationswechselwirkungskoeffizienten (Korobov et al. 2020, Haidar et al. 2022), erheblich verbessert. Nun zeigen die vorhergesagten Unterschiede zwischen den HFS-Komponenten des Rotationsübergangs von HD+ Abweichungen von bis zu 10 Sigma von den experimentellen Ergebnissen (Alighanbari et al, 2020). Um die Diskrepanz zu lösen oder zu bestätigen sind neue hochpräzise experimentelle Messungen erforderlich, die frühere Messungen ergänzen. Wir schlagen vor, eine bestimmte Gruppe von bisher unerforschten Hyperfeinkomponenten des Rotationsübergangs zu messen, die es uns ermöglichen, die Kern-Spin-Elektron-Spin-Wechselwirkungskoeffizienten im Grundzustand und im ersten rotationsangeregten Zustand direkt zu bestimmen. Wir werden auch den Elektron-Spin-Rotations-Wechselwirkungskoeffizienten für den angeregten Zustand bestimmen. Unser Ziel ist es, diese Koeffizienten des HFS-Hamiltonoperators mit Unsicherheiten zu messen, die kleiner oder vergleichbar mit den Vorhersagen der Theorie sind, und somit die Vorhersage der HFS-Theorie streng zu überprüfen. Um dies zu erreichen, werden wir die systematischen Verschiebungen der Übergangsfrequenzen sorgfältig bestimmen und sie korrigieren. Die vorgeschlagene Arbeit kann auch zur Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells beitragen, indem nach exotischen Wechselwirkungen zwischen Elektronen, Protonen und Deuteronen gesucht wird. Frühere spektroskopische Ergebnisse am HD+ wurden so interpretiert, dass sie obere Grenzen für Spin-unabhängige exotische Wechselwirkungen liefern. In der vorgeschlagenen Arbeit werden wir in der Lage sein, die Existenz Spin-abhängiger neuer Kräfte mit Reichweiten in der Größenordnung von 1 Ångström zu testen, indem wir die Abweichungen zwischen experimentellen und theoretischen Werten analysieren, falls solche gefunden werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen