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Wie groß ist das Proton?

Erstellt von: Dr. Rainer Kayser | | Forschung und neue Erkenntnisse

Extrem genaue Messungen an “myonischem Wasserstoff” liefern einen kleineren Wert für den Radius des Protons als Messungen an normalem Wasserstoff. Die Diskrepanz sei siebenmal größer als der Messfehler, berichtet ein internationales Forscherteam im Fachblatt „Science“. Bislang gibt es keine Erklärung für dieses „Protonen-Rätsel“, auf das bereits ähnliche Messungen desselben Teams vor knapp drei Jahren hingewiesen hatten. Der Effekt deute möglicherweise auf „neue Physik“ jenseits des derzeitigen Standardmodels, so die Forscher.

Der so genannte Ladungsradius des Protons beträgt 0,8409 Femtometer – das ist das Ergebnis der am Paul Scherrer Institut im schweizerischen Villigen von Aldo Antognini vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und seinen Kollegen durchgeführten Experiments. Der auf einem anderen Messverfahren basierende, derzeit allgemein akzeptierte Wert ist mit 0,8775 Femtometern deutlich größer. Ein Femtometer ist der millionste Teil eines Millionstel Millimeters. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Abweichung durch Messfehler zustande kommt, ist nach Angaben der Forscher etwa 1 zu 4 Milliarden.

Der bisherige Wert basiert hauptsächlich auf laserspektroskopischen Untersuchungen von Wasserstoff. Wasserstoff ist das einfachste Element: Seine Atome bestehen jeweils aus einem einzigen Proton, das von einem einzigen Elektron umkreist wird. Das Elektron kann dabei nur bestimmte Energiezustände einnehmen, die wiederum geringfügig vom Radius des Protons abhängen. Messungen der Übergänge zwischen den Energieniveaus ermöglichen daher eine Bestimmung der Größe des Protons.

Um zu noch genaueren Ergebnissen zu kommen, haben Antognini und seine Kollegen das Elektron durch ein Myon ersetzt. Myonen sind Elementarteilchen, die dem Elektron ähneln, aber zweihundertmal schwerer sind. Durch die größere Masse bewegt sich das Myon näher am Proton als das Elektron und reagiert deshalb stärker auf dessen Größe. Im Gegensatz zu ihren ersten, 2010 veröffentlichten Messungen haben die Forscher das Verfahren noch einmal verbessert. Sie messen nun zwei unterschiedliche Übergänge und erreichen dadurch nahezu eine Verdopplung der Genauigkeit.

Die Frage ist nun, ob die gefundene Diskrepanz ihre Ursache in systematischen experimentellen Fehlern hat – oder ob vielleicht die Grundlagen der Quantenelektrodynamik, eines der Grundpfeiler des Standardmodells der Physik, infrage gestellt werden müssen. Eine Antwort darauf können nur weitere Experimente liefern. So plant die Forschergruppe als nächster Versuch mit myonischem Helium.

Quelle: dx.doi.org 10.1126/science.1230016