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Kernphysik : Das Proton schrumpft weiter

Für die spektroskopischen Untersuchung des myonischen Wasserstoffs sind zahlreiche Laserstrahlen erforderlich. Bild: A. Antognini, F. Reiser

Was ist los im Atomkern? Neue Messungen bestätigen, der Ladungsradius des Protons fällt kleiner aus als der anerkannte Richtwert.

          Das Proton, der geladene Baustein eines jeden Atomkerns, scheint tatsächlich kleiner zu sein als der offiziell anerkannte Richtwert. Eine internationale Forschergruppe hat ihren vor zwei Jahren ermittelten Wert für den Ladungsradius des Protons, der sich aus der Verteilung der Ladung des Kernbausteins ergibt, jetzt in einem verfeinerten Experiment bestätigen können. So beträgt der jüngst am Paul-Scherrer-Institut (PSI) in Villigen gemessene Radius rund 0,84 Femtometer (Billiardstel Meter). Der neue Wert stimmt gut mit dem im Jahr 2010 gemessenen Wert überein, übertrifft diesen an Genauigkeit sogar um das Doppelte (“Science“, Bd. 339, S. 417). Damit fallen die beiden von Aldo Antognini von der ETH in Zürich und seinen Kollegen ermittelten Radien um etwa vier Prozent kleiner aus als der offizielle Wert für den Ladungsradius (0,88 Femtometer), den man in der Vergangenheit aus Streuexperimenten und spektroskopischen Untersuchungen an normalem Wasserstoff ermittelt hat.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Die Diskrepanz mag für Laien gering erscheinen. Doch für die Wissenschaftler ist sie so deutlich, dass sie über die Ursachen rätseln. Sollte dahinter kein bislang unbekannter Messfehler stecken, hätte der Befund nämlich weitreichende physikalische Konsequenzen. So könnte es sein, dass das aus drei Quarks bestehende Proton eine viel komplexere Struktur aufweist als bislang angenommen - eine Struktur, die man mit den bisherigen experimentellen Möglichkeiten nicht erfassen konnte.

          Auf Tuchfühlung

          Die Wissenschaftler um Antognini, darunter Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching, haben wie bereits vor zwei Jahren sogenannte myonische Wasserstoffatome genutzt, um die Ausdehnung des Protons zu ermitteln. In diesen exotischen Atomen wurde jeweils das Elektron durch sein rund zweihundertmal so schweres Schwesterteilchen - ein negatives Myon - ersetzt. Das Myon diente dabei als Sonde. Denn durch seine vergleichsweise große Masse kommt das Teilchen dem Proton viel näher, als es einem Elektron möglich ist, wodurch es sich länger im Ladungsbereich des Protons aufhält. Als Folge sind die Energiezustände im myonischen Wasserstoff viel stärker verschoben als beim normalen Wasserstoff - und damit auch die Emissionslinien im Spektrum.

          Blick auf die Beschleuniger-Halle am Paul-Scherrer-Institut in Villigen. Das Experiment ist am unteren Bildrand, links zu sehen.

          Überragende Messgenauigkeit

          Aus der Energiedifferenz zwischen einem angeregten Niveau und dem Grundzustand lässt sich schließlich der Protonenradius präzise bestimmen. Das haben Antognini und seine Kollegen auch dieses Mal ausgenutzt, wobei sie nun zwei Übergänge präzise vermessen haben. Dadurch konnten sie die Messgenauigkeit kräftig steigern.

          Die Forscher können den Ladungsradius des Protons jetzt fast doppelt so genau angeben wie noch zwei Jahre zuvor. Aus den Messungen hat man zudem auch einen Wert für den sogenannten magnetischen Radius ermitteln können. Ähnlich wie die Ladung ist auch der Magnetismus des Protons über einen ausgedehnten Bereich verteilt. Der gemessene magnetische Radius stimmt anders als der Ladungsradius allerdings recht gut mit dem bekannten Wert von 0,87 Femtometern überein.

          Aldo Antognini

          Warum der aktuell gemessene Ladungsradius so deutlich vom alten Wert abweicht, ist noch unklar. Möglicherweise verbirgt sich in dem komplexen Experiment mit den kurzlebigen myonischen Wasserstoffatomen - sie leben nur zwei Mikrosekunden lang - eine unbekannte Quelle für systematische Fehler, wie Helen Margolis vom britischen National Physical Laboratory in Teddington in einem Begleitartikel schreibt (“Sience“, Bd. 339, S. 405).

          Messfehler oder neue Physik?

          Die Diskrepanz ist mit vier Prozent jedoch viel zu groß, als dass man sie auf die Unsicherheit des offiziell anerkannten Richtwertes zurückführen könnte. Über die Konsequenzen, die mit einem kleineren Ladungsradius verknüpft sind, äußert man sich bislang aber nur vorsichtig. Denn sollte der neue Befund durch ein unabhängiges Experiment bestätigt werden, muss möglicherweise die Quantenelektrodynamik, die Quantentheorie der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, neu überdacht werden - und das, obwohl sie zu den am besten überprüften physikalischen Theorien zählt. Auch der Wert der sogenannten Rydberg-Konstanten - die Naturkonstante wird zur Berechnung der atomaren Energien verwendet - müsste gegebenenfalls korrigiert werden.

          Nun wollen die Forscher des Paul-Scherrer-Instituts weitere Messungen an myonischen Heliumatomen ausführen, in denen eines der beiden Elektronen durch ein Myon ersetzt wird. Zudem dürften die Ergebnisse der alten laserspektroskopischen Messungen am Wasserstoff und die Streuexperimente am Proton überprüft oder gegebenenfalls wiederholt werden.

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