Hyperfeinstruktur von Positronium im angeregten Zustand

Als gebundener Zustand zweier Spin-1/2 Fermionen hat Positronium eine Spin Singlet (Para-Positronium, pPs) und einen Spin Triplet (Ortho-Positronium, oPs) Zustand. Die Aufspaltung der Energieniveaus von Ortho-Positronium und Para-Positronium ist sensitiv auf quanten-elektrodynamischen (QED) Korrekturen höherer Ordnung und auch für potentielle neue physikalische Zusammenhänge, die über die Beschreibung durch das Standardmodell der Teilchenphysik hinausgehen. Diese Hyperfeinaufspaltung (Ps-HFS) entspricht im Grundzustand einer Übergangsfrequenz von ungefähr 203 GHz und wurde bereits mit hoher Präzision gemessen. Dennoch unterscheiden sich die experimentellen Werte von den Vorhersagen der theoretischen Berechnungen um mehr als drei Standardabweichungen. Das Ziel des vorgeschlagenen Experiments ist es, die erste Messung der Hyperfeinaufspaltung im ersten angeregten Zustand von Positronium, dem Übergang vom Tripletzustand zum Singletzustand durchzuführen. Dieses Projekt baut auf der Messung des Laserübergangs von Positronium im Grundzustand 1S in den ersten angeregten Zustand 2S auf, an der zur Zeit am Institut für Teilchenphysik an der ETH Zürich in der Schweiz, unter der Leitung von Dr. Crivelli, gearbeitet wird. Dieses Experiment wäre die erste direkte Messung der Hyperfeinaufspaltung der 2S Zustands von Positronium. Darüberhinaus, ist diese Projekt von großer Bedeutung, um indirekt die Messung der Hyperfeinaufspaltung im Grundzustand zu überprüfen, für die, wie erwähnt, nach wie vor eine Abweichung zwischen Experiment und Theorie besteht. Um dieses mikrowellen-spektroskopische Messung des Hyperfeinübergangs vom 2S Tripletzustand in den 2S Singletzustand durchzuführen, muss zuerst Positronium im Grundzustand in den ersten angereten Zustand gebracht werden. Die mittels Laser angeregten Positroniumatome werden dann in einen Radiofrequenz-Resonator geleitet. Mit Hilfe eines oszillierenden Magneteldes, das exakt auf die Übergansfrequenz von 25.43 GHz eingestellt ist, stimuliert dann eine Abregung der Positroniumatome in den 2S Singlet-Zustand. Aufgrund der kurzen Lebensdauer dieses Zustands (ungefähr 1 ns) kommt es zu einer unmittelbar nachfolgenden Annihilation von Elektron und Positron in zwei Photonen. Diese werden dann mit einem Gammastrahlendetektor, der sich um den Resonator herum befindet, gemessen. Das unmittelbare Ziel ist es, diesen Hyperfeinübergang zum ersten Mal zu messen. In einem zweiten Schritt sollen detaillierte Simulationen der Übergangsprozesse durchgeführt werden, um die Messparameter zu optimieren und in Folge die Messgenauigkeit zu verbessern und mit vergangenen Experimenten zum Hyperfeinübergang im Grundzustand von Positronium sowie mit der Theorie vergleichbar zu sein. Eine entsprechende Genauigkeit ist wesentlich, um den Ursprung der beobachteten Abweichungen zwischen Theorie und Experiment für den Hyperfeinübergang im Grundzustand zu verstehen und erklären zu können.

Es wurde eine Messung der Hyperfeinstruktur von Positronium dem gebundenen Zustand von Positron und Elektron in einem angeregten Zustand durchgeführt. Das Ziel dieses Experiments war es, eine Genauigkeit von 0,5 Milliardstel für die gemessene 1S-2S Hyperfeinübergangsfrequenz zu erreichen, um die zugrundeliegende quantenelektro-dynamische Theorie zu überprüfen. Nach Prüfung und Vergleich der aktuell verfügbaren Quellen für Positronium, wurde entschieden, dass Laserkühlung ein geeigeneter Weg sein könnte, um die Genauigkeit auf 0,1 Milliardstel weiter zu steigern. Mit einer derartigen Genauigkeit wäre eine solche Messung auch empfindlich für die gravitationale Rotverschiebung und könnte demzufolge Aufschluss darüber geben, ob sich die Gravitation auf Antimaterie anders auswirkt, als auf Materie.Die erste Messung der Annihilation von Positronium aus dem 2S Zustand wurde abgeschlossen. Positronium wurde mit Hilfe eines Zwei-Photon-Übergangs vom 1S in den 2S Zustand angeregt, wo es im Vergleich zum Grundzustand eine achtmal längere Überlebensdauer aufwies, was auf der geringeren Überlappung der Positron-Elektron-Wellenfunktion basierte. Um diesen Übergang zu messen, wurde die Anzahl an zeitverzögerten Annihilationsphotonen, als Funktion der Laserfrequenz, detektiert eine neue Methode für durch Laser angeregtes Positronium im 2S Zustand. Dieses Ergebnis kann als erster Schritt in Richtung einer neuen Hochpräzisionsmessung der 1S-2S Positroniumlinie angesehen werden.Durch das Experiment könnte in weiterer Folge dazu beigetragen werden, dass die offensichtliche Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im Universum und vielleicht auch der Ursprung dunkler Materie - ihrer Erklärung ein Stück näher kommen.