Einfache Atome wie Wasserstoff sind seit fast 100 Jahren Gegenstand präziser experimenteller und theoretischer Untersuchungen. Denn ihre Interaktion und ihr Verhalten bilden nicht nur die Basis unserer Existenz, sie spiegeln auch die Wirkung mehrere Naturkonstanten und Grundkräfte wider. Dies gilt vor allem für ihre energieabhängigen Quantenübergänge und die für diese Zustände spezifischen Schwingungen der Teilchen. Physikalische Theorien und Modelle sagen relativ genau voraus, wie sich Atomkerne oder Elektronen bestimmter Masse, Größe und Ladung verhalten müssten. Diese Vorhersagen kann man daher mit experimentellen Messungen des Schwingungsverhaltens vergleichen und überprüfen. “Dadurch wird es möglich, entweder die fundamentalen Konstanten genauer zu bestimmen oder auch durch Vergleich mit Ergebnissen anderer Systeme zu testen, ob es möglicherweise noch weitere, unkonventionelle, hypothetische Interaktionen gibt”, erklären Soroosh Alighanbari und seine Kollegen von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf.
Wie misst man Teilchenschwingungen?
Messen lassen sich die Schwingungen und Energieübergänge von Atomen oder Molekülen mithilfe hochauflösender Laserspektroskopie-Techniken. Dabei werden die Teilchen bis auf Temperaturen nah dem absoluten Nullpunkt abgekühlt, um sie auf ein möglichst niedriges Energieniveau zu bringen. Dann bringt man sie mithilfe eines Laserpulses gezielt auf ein höheres Energieniveau und bewirkt damit eine Veränderung ihres Quantenzustands und ihrer Schwingungen. Diese lassen sich anhand der Spektrallinien der Teilchen messen. Die Kunst der physikalischen Forschung besteht nun darin, die Wellenlängen der Spektrallinien extrem genau zu messen, sowie – mithilfe der Quantentheorie – diese Wellenlängen auch theoretisch genau zu berechnen. Stimmen beide Ergebnisse überein, kann dies als Nachweis für die Richtigkeit der Modelle und zugrunde gelegten Naturkonstanten gelten. Für das Wasserstoffatom sind die Energieübergänge und damit verknüpften Schwingungen bereits sehr genau vermessen und bekannt.
Weniger leicht messbar, weil sehr viel komplexer ist jedoch die Lage bei Molekülen: In diesen können sich die Bestandteile auf verschiedene Weise gegeneinander bewegen: Die Elektronen schwirren um die Atomkerne, die Atomkerne vibrieren gegeneinander oder rotieren umeinander. Welche Interaktionen dabei auftreten und ob sie mit den physikalischen Grundannahmen übereinstimmen, lässt sich besonders gut am einfachsten Molekül überprüfen, dem ionisierten molekularen Wasserstoff (MHI). Er besteht aus zwei Protonen, aber nur einem Elektron. Ebenfalls zu den MHI-Molekülen wird ein Ion aus einem Proton, einem Elektron und einem Deuteron (D) gezählt. Letzteres ist der Kern des schweren Wasserstoffs Deuterium und besteht aus einem Proton und einem Neutron. Das Team um Alighanbari hat nun die Schwingungen des HD+-Moleküls mittels einer optimierten Laserspektroskopiemethode mit zuvor unerreichter Präzision vermessen.
