Das Proton ist deutlich geschrumpft

Der Durchmesser des Elementarteilchens ist erheblich kleiner, als die bisherigen Messungen ergeben haben. Ist damit auch die Rydberg-Konstante falsch?

Von Rainer Scharf

Das positiv geladene Proton ist der wichtigste Baustein der uns umgebenden Materie, da es in jedem Atomkern enthalten ist. So hat das Wasserstoffatom ein einzelnes Proton als Kern, der von einem negativ geladenen Elektron umkreist wird. Man weiß zwar, dass das Wasserstoffatom etwa 100 000 Mal so groß ist wie das Proton, doch dessen exakte Größe kennt man nicht. Messungen des Protonendurchmessers mit verschiedenen Verfahren hatten unterschiedliche Ergebnisse erbracht. Jetzt hat eine internationale Forschergruppe am Paul Scherrer Institut in Villigen in der Schweiz an einer exotischen Form von Wasserstoff den Durchmesser des Protons mit bisher unerreichter Genauigkeit bestimmt. Das Resultat war deutlich kleiner, als man es aufgrund der Ergebnisse früherer Messungen erwartet hatte.

Die exotischen Atome, die Randolf Pohl und seine Kollegen bei ihren Experimenten benutzten, waren sogenannte myonische Wasserstoffatome, in denen das Elektron durch sein rund 200 Mal so schweres Schwesterteilchen, ein negatives Myon, ersetzt ist. Am Paul Scherrer Institut steht ein intensiver Myonenstrahl zur Verfügung, mit dem die Forscher normale Wasserstoffatome durch Bestrahlung in myonische umwandeln können. Da Myonen instabile Teilchen sind und schon nach rund zwei Mikrosekunden zerfallen, mussten die Experimente mit den myonischen Atomen außerordentlich schnell ausgeführt werden.

Wie die Forscher in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift "Nature" berichten, nutzten sie die Myonen in den exotischen Atomen als Sonden, um die Größe der Protonen zu messen. Dabei spielte die verhältnismäßig große Myonenmasse eine wichtige Rolle. Im Wasserstoffatom wird das Myon genauso wie das Elektron durch elektrische Kräfte an das Proton gebunden und umkreist es auf bestimmten Bahnen. Nach den Gesetzen der Quantenphysik hat das myonische Wasserstoffatom wegen der 200 Mal so großen Masse des Myons nur ein Zweihundertstel der Größe eines normalen Wasserstoffatoms. Daher kommen die Myonen dem Proton erheblich näher als die Elektronen und spüren stärker seine räumliche Ausdehnung. Dies hinterlässt charakteristische Spuren im Spektrum des myonischen Wasserstoffs, die die Wissenschaftler untersucht haben.

Für die Analyse haben die Forscher um Randolf Pohl vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik Atome, deren Myon in einer bestimmten langlebigen Bahn um das Proton lief, mit infrarotem Laserlicht bestrahlt, dessen Frequenz schnell in kleinen Schritten verändert werden konnte. Die Atome wurden vom Licht angeregt, wobei das Myon in eine etwas weiter außen liegende kurzlebige Bahn überging. Von dort fiel das Myon umgehend in eine weit innen liegende Bahn, die dem Grundzustand des Atoms entsprach. Die dabei freiwerdende Energie wurde als Röntgenstrahlung abgegeben, deren Intensität gemessen wurde. Mit großer Genauigkeit bestimmten die Forscher die Frequenz des Laserlichts, bei der die entstehende Röntgenstrahlung am intensivsten war. In diesem Fall hatten die Photonen des Laserlichts exakt die Energie, um die sich die kurzlebige und die langlebige Bahn unterschieden. Auf diese Weise konnte die Energiedifferenz zwischen den beiden Bahnen mit äußerster Präzision gemessen werden.

Da die langlebige Bahn dem Proton etwas näher kam als die kurzlebige, wirkte sich die räumliche Ausdehnung des Protons in der gemessenen Energiedifferenz aus. Deren Wert war etwa zwei Prozent kleiner als der Wert der Energiedifferenz, den man - unter der Hilfsannahme eines punktförmigen Protons - berechnet hatte. Die Größe des Protons machte sich beim myonischen Wasserstoffatom hundert Mal so stark bemerkbar wie beim normalen Wasserstoffatom. Aus diesem ungewöhnlich großen Effekt konnten die Forscher schließlich den Durchmesser des Protons mit hoher Genauigkeit ermitteln. Er betrug 1,68 Femtometer (millionstel Nanometer), wobei die Messunsicherheit 0,1 Prozent betrug. Der bisher offiziell anerkannte Wert für den Protonendurchmesser ist hingegen 1,75 Femtometer mit einem Prozent Unsicherheit.

Der neuen, genaueren Messung zufolge ist das Proton also vier Prozent kleiner, als man bislang gedacht hatte. Diese Diskrepanz ist viel zu groß, als dass man sie auf die Messunsicherheit des alten Wertes zurückführen könnte. Eine schlüssige Erklärung gibt es jedoch bisher nicht. Vielleicht war die Theorie fehlerhaft, die bei den recht komplizierten Berechnungen zur Ermittlung des alten Wertes benutzt werden musste. Eventuell muss der Wert der sogenannten Rydberg-Konstante korrigiert werden, einer Naturkonstante, die zur Berechnung der atomaren Energien verwendet wird. Weitere Experimente mit den myonischen Formen des schweren Wasserstoffs und des Heliums sollen Klarheit bringen.

Text: F.A.Z., 14.07.2010, Nr. 160 / Seite N1