Präzisions-Vibrationsspektroskopie an einzelnen Wasserstoff-Molekülionen in einer Penning-Falle

• Antragsteller: 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 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537725235

Dieses Projekt befasst sich mit den Themen ``Metrologie der fundamentalen Konstanten" und der ``Suche nach Physik jenseits des Standardmodells". Unsere Welt wird auf der mikroskopischen Ebene sehr erfolgreich durch die relativistischen Quantenfeldtheorien des Standardmodells beschrieben. Die Ladungs-Paritäts-Zeit-Invarianz (CPTI) ist tief in die Annahmen dieser Theorien integriert. Sie wird seit vielen Jahrzehnten experimentell getestet, und die Genauigkeit der Tests hat sich stetig verbessert. Es ist jedoch zwingend erforderlich, die Genauigkeit weiter zu verbessern. Eine Verletzung der CPTI ist ein möglicher Weg zur Erklärung des extremen Ungleichgewichts zwischen Materie und Antimaterie, das im Kosmos zu beobachten ist. Derzeit werden in der „antimatter factory“ des CERN fortgeschrittene Forschungsprogramme zu CPTI-Tests durchgeführt. Sie befassen sich mit der Masse und Ladung von Elektron und Proton sowie mit den Kerneigenschaften des Protons und seiner Antiteilchen. Sie werden mit Hilfe der Penning-Fallen-Spektroskopie und der H-bar-Spektroskopie durchgeführt und werden in den kommenden Jahren sicherlich noch verbessert werden. Jetzt gibt es eine völlig neue Möglichkeit: Ein CPTI-Test, der aus dem Vergleich der Schwingungsfrequenzen der MHI H_2^+ und Anti-H_2^+ besteht. Diese Frequenzen sind von Interesse, weil sie eine Empfindlichkeit erster Ordnung für die Massen des Protons/Antiprotons, Elektrons/Positrons und eine (geringe) Empfindlichkeit für den Kernladungsradius aufweisen. Die Frequenzen können mit Hilfe der Laserspektroskopie und der optischen Frequenzmetrologie prinzipiell genau bestimmt werden. Theoretische Analysen deuten darauf hin, dass relative Unsicherheiten um 1E-17 möglich sein sollten, was weit unter dem liegt, was die Penning-Fallen-Massenspektroskopie jemals erreichen wird. Darüber hinaus hängen die Schwingungsfrequenzen auch von der Coulomb-Wechselwirkung zwischen den beiden Kernen ab, so dass auch ein präziser CPTI-Test der p - p-bar-Wechselwirkung möglich würde, den kein derzeitiges Experiment bieten kann. Der etablierte Fallentyp, der geladene Antimaterieteilchen monatelang speichern kann, ist die Penning-Falle. In diesem Projekt wollen wir daher zum ersten Mal zeigen, dass die Schwingungsspektroskopie von MHI in einer kryogenen Penning-Falle möglich ist, und wollen einen ersten Meilenstein erreichen, 1E-12 Unsicherheit, sowohl für H_2^+ als auch für HD^+. Aus den Schwingungsfrequenzen der MHI können Verhältnisse von Kern- zu Elektronenmasse zu bestimmt und obere Grenzen für eine hypothetische zusätzliche Kraft zwischen den beiden Kernen festgelegt werden, die z.B. durch Teilchen der dunklen Materie vermittelt wird. Zu diesem Zweck müssen die experimentellen Frequenzen mit den ab initio-Vorhersagen verglichen werden. In diesem Projekt werden wir zum ersten Mal einen Wert von m_e/m_p mit einer Unsicherheit erhalten, die mit den besten direkten Massenmessungen konkurrenzfähig sein wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Sven Sturm