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Proton ist kleiner als angenommen

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Das ist ein bezahlter Beitrag mit kommerziellem Charakter. Text und Bild wurden von der Firma Muster AG aus Musterwil zur Verfügung gestellt oder im Auftrag der Muster AG erstellt.

Autor: walter buchs

Am 8. Juli 2010 wurde in der renommierten Fachzeitschrift «Nature» ein Artikel publiziert, der weltweites Interesse ausgelöst hat. Selbst die Titelseite von «Nature» geht mit einem Bild auf diese Publikation ein und schreibt: «SHRINKING THE PROTON», also «Schrumpfung des Protons», mit dem Untertitel: «Neuer Wert aus exotischem Atom vermindert den Radius um vier Prozent».

Internationale Forschung

Das betreffende, äusserst anspruchsvolle Experiment wurde am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen (Kanton Aargau) von einem internationalen Forschungsteam mit insgesamt 32 Forschern aus verschiedenen Ländern durchgeführt, darunter auch vier vom Physikdepartement der Universität Freiburg, nämlich Paul Knowles, Livia Ludhova, Françoise Mulhauser und Lukas Schaller. Dies geht aus einem Beschrieb der teilnehmenden Forscher hervor.

Ein wichtiger Beitrag zum Experiment war danach die Doktorarbeit von Livia Ludhova, welche trotz der Emeritierung von Professor Schaller im Jahre 2003 mit Geld vom Schweizerischen Nationalfonds noch durchgeführt werden konnte. Der Freiburger «Input» bestand, neben der Teilnahme an den eigentlichen Messungen am PSI, vor allem in der Entwicklung der Röntgenstrahldetektoren und des aufwändigen Datenverarbeitungssystems.

«Exotischer» Wasserstoff

Das Experiment benutzt nicht normale Wasserstoffatome, sondern sogenannt «exotischen» Wasserstoff, wobei das im normalen Wasserstoff um das Proton kreisende Elektron durch ein 200 Mal schwereres Myon ersetzt ist. Die Bahnen des Myons befinden sich deswegen 200 Mal näher beim Proton als die Elektronenbahnen und reagieren damit auch auf die Ladungsausdehnung des Protons viel empfindlicher. Im Gegensatz zu den punktförmigen, negativ geladenen Elektronen und Myonen besitzt nämlich das positiv geladene Proton eine räumliche Ausdehnung.

Experimentelle Herausforderung

Konkret werden am PSI die dort erzeugten Myonen abgebremst und in Wasserstoffgas bei sehr niedrigem Druck eingefangen. Schon dies ist eine experimentelle Herausforderung, da dabei nur wenig myonischer Wasserstoff erzeugt werden kann. Wäre der Druck höher, könnte sich insbesondere kein relativ langlebiger («metastabiler») angeregter Zustand im myonischen Wasserstoff mehr bilden. Dieser wird benötigt, um ihn mit einem speziell für das Experiment entwickelten und äusserst intensiven Infrarot-Laserstrahl in einen höher gelegenen Zustand zu heben.

Um die korrekte Laserfrequenz resp. Energiedifferenz zwischen diesen beiden Zuständen herum ergibt sich dann eine Resonanzkurve, woraus der Protonenradius mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. Dabei ist interessant zu erwähnen, dass Livia Ludhova in ihrer Dissertation im Jahre 2005 bereits nach einer solchen Resonanz suchte, aber nicht am «richtigen» Ort, sondern dort, wo man den Wert des Protonenradius erwartete. Ausserdem war die Statistik zu gering.

Die Forscher, darunter auch die vier oben erwähnten Freiburger, haben aber nicht aufgegeben, sondern ihre noch zur Verfügung stehende Zeit resp. ihre Freizeit für das Experiment eingesetzt: Paul Knowles, am Physikdepartement in Freiburg weiter angestellt, Livia Ludhova, jetzt Postdoc in Italien, Françoise Mulhauser, jetzt bei der IAEA (International Atomic Energy Agency) in Wien, und Lukas Schaller, jetzt emeritierter Professor.

Vor fast genau einem Jahr war es so weit, wie das Forscherteam soeben bekannt gegeben hat. Man fand eine wunderschöne Resonanz, woraus der neue Wert für den Protonenradius, 0.8418 fm (Femtometer) oder 0,000 000 000 000 000 8418 m mit einer Genauigkeit von 0,1 %, d. h. 10 Mal präziser als der bisherige Referenzwert, hergeleitet werden konnte. Dieser Radius liegt gut vier Prozent unterhalb der Erwartungen. Es ist vor allem dieser neue, kleinere Wert, der die Physiker in aller Welt sehr erstaunt, zumal frühere, u. a. auch von der ehemaligen Mittelenergiegruppe in Freiburg durchgeführte Messungen an schwereren myonischen Atomen nie grössere Diskrepanzen zeigten.

Da es nach Aussagen der Wissenschaftler sehr unwahrscheinlich ist, dass im Experiment ein grösserer Fehler vorliegt, ist jetzt, wie die Forscher feststellen, vor allem die Theorie gefordert, und zwar nicht irgendeine Theorie, sondern die bis anhin höchst erfolgreiche Theorie von Licht und Materie, die sog. «Quantenelektrodynamik». Auch die für die gesamte Atom- und Molekülphysik fundamentale Rydbergkonstante muss eventuell geändert werden.

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