Fein, feiner, am feinsten

Seit kurzem kennen wir die Feinstrukturkonstante alpha zehnmal genauer als zuvor. Ein Fortschritt, der die Wissenschafts-Welt bewegen kann, denn alpha bestimmt den Aufbau des Universums

Die Zahl, die die Welt im Innersten zusammenhält, ist nicht die 42. Sie ist nicht einmal eine ganze Zahl - und nur gerundet ergibt sie einen Bruch (nämlich ein Hundertsiebenunddreißigstel), den sich "alle guten theoretischen Physiker an die Wand heften und um den sie sich sorgen", wie Nobelpreisträger Richard Feynman einmal schrieb. Der deutsche Mathematiker und Physiker Arnold Sommerfeld führte die dimensionslose Konstante ein, weil sich mit ihr der Aufbau von Spektrallinien beschreiben lässt.

Doch die Feinstrukturkonstante bestimmt weit mehr als das - sie ist eine Kombination aus Vakuum-Lichtgeschwindigkeit, Planckschem Wirkungsquantum und Elementarladung und beschreibt, wie Elektronen und Photonen wechselwirken - ein Gebiet, dem sich die Theorie der Quantenelektrodynamik widmet.

Damit ist alpha direkt für das Schicksal unseres Universums verantwortlich. Denn der Wert beschreibt zum Beispiel auch die Stärke der elektromagnetischen Anziehung zwischen Elektron und Atomkern - würde die sich auch nur um ein Prozent ändern, wären viele Atome, wie wir sie kennen, nicht mehr stabil.

Die Existenz dieses Artikels ist nun allerdings ein Beweis, dass die Natur oder (hier Gestalter Ihrer Wahl einfügen) es gut mit uns gemeint und alpha einen brauchbaren Wert gegeben hat. Es ist ebenfalls nicht zu befürchten, dass der Wert der Feinstrukturkonstanten Auswirkungen auf Aktienkurse oder die kommende Klimakatastrophe hätte, selbst wenn er mehr oder weniger schwankte. Eine Diskussion, die übrigens noch nicht entschieden ist - während die Quantenelektrodynamik mit einer konstanten Konstanten zufrieden ist, verlangen String-Theoretiker, dass die Feinstrukturkonstante sich mit der Zeit ändere.

Potenziell existenzbedrohende Auswirkungen muss man 1/137 (gerundet) aber doch nachsagen: Falls die Feinstrukturkonstante den falschen Wert hat, stimmt die bisher immer noch erfolgreiche Quantenelektrodynamik (QED) nicht mehr. Das genau zu entscheiden, dafür fehlte es den Physikern bisher immer an Genauigkeit.

In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Science beschreibt der US-Physiker Daniel Kleppner vom MIT jedoch, wie es nach fast zwanzig Jahren ereignisloser Feinstruktur-Forschung nun gelang, die Konstante gleich um den Faktor 10 genauer zu bestimmen.

Die Arbeit, auf die Kleppner sich bezieht, ist vor ein paar Tagen in Physical Review Letters erschienen. Deren Autorenteam hatte zunächst einen Rennstall für ein einziges Elektron konstruieren müssen, ein Single-Elektronen-Zyklotron. Um thermische Einflüsse zu vermeiden, musste das bei 0,1 Kelvin arbeiten.

Unter diesen Bedingungen gelang es den Forschern, das magnetische Moment eines Elektrons deutlich genauer zu bestimmen als bisher. Nun begann die Arbeit der Theoretiker im Team: Diese ermittelten aus den Formeln der Quantenelektrodynamik (die einen Zusammenhang zwischen dem magnetischen Moment und der Feinstrukturkonstante herstellen) einen neuen Wert für alpha. Dieser Wert lässt sich nun nutzen, um die QED noch besseren Tests zu unterwerfen - mit dem möglichen Ergebnis, dass das bisher als Punkt-Teilchen betrachtete Elektron eine Struktur bekommen könnte.

Ein weiteres, für die Verfasser der Arbeit interessantes Ergebnis könnte man aus der Geschichte extrapolieren: Der deutsch-amerikanische Physiker Hans Dehmelt, der zuletzt 1987 die Genauigkeit des Wertes verbesserte, erhielt nur zwei Jahre später den Nobelpreis. (Matthias Gräbner)

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