24.01.2013

Neue Messungen nähren Rätsel um Protonengrösse

Klein bleibt klein: Ein internationales Forscherteam bestätigt die vor gut zwei Jahren angekündigte Sensation, wonach das Proton kleiner ist als bisher angenommen. Die neuen Resultate der Forschenden geben der Wissenschaftsgemeinschaft weitere Rätsel auf.

Ausschnitt des Lasersystems zur Messung des Übergangs von 2S-2P in myonischen Wasserstoff.  (Bild: Paul Scherer Institut)

Im Juli 2010 lässt das internationale Forscherteam die Bombe platzen: Das Proton, einer der Grundbausteine der Materie, ist signifikant kleiner als bis dato angenommen. Untersuchungen an exotischem Wasserstoff, bei dem statt eines Elektrons ein negativ geladenes Myon den Atomkern umkreist, lieferten einen signifikant kleineren Wert für den Protonenradius (genauer: Ladungsradius) als die bis dahin erfolgten Messungen an natürlichem Wasserstoff oder der Elektron-Proton-Streuung. Eine neue Messung desselben Teams bestätigt nun einerseits diesen Wert für den Ladungsradius und ermöglicht andererseits erstmalig die Bestimmung des magnetischen Radius des Protons mittels Laserspektroskopie an myonischem Wasserstoff.

Durchgeführt wurden die Experimente am Paul Scherrer Institut (PSI) im schweizerischen Villigen, welches als einziges Forschungszentrum weltweit ausreichend viele Myonen für solche Untersuchungen erzeugt. Beteiligt waren unter anderem Forschende des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) in Garching bei München, die Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich, die Universität Freiburg (Schweiz), das Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart, sowie die Dausinger&Giesen GmbH, Stuttgart. Die Resultate werden am 25. Januar 2013 in der renommierten amerikanischen Fachzeitschrift Science veröffentlicht und fachen erneut die Debatte darüber an, ob es für die beobachteten Diskrepanzen eine konservative Erklärung gibt, weil sie etwa auf mangelndes Verständnis der in allen Messungen auftretenden systematischen Fehler zurückgehen, oder ob am Ende doch „Neue Physik“ dahinter steckt.

Bei den Untersuchungen der Naturgesetze spielt das chemische Element Wasserstoff seit vielen Jahren eine Schlüsselrolle. Sein Atomkern besteht aus einem einzigen Proton, um den ein Elektron kreist. Für die Energieniveaus in diesem denkbar einfachen Atom liefert die Quantenelektrodynamik sehr genaue Vorhersagen. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die elektrische Ladung des Protons – im Gegensatz zur Ladung des Elektrons – nicht in einem Punkt vereint ist. Vielmehr besteht das Proton aus Quarks, die durch „Klebeteilchen“ (Gluonen) zusammengehalten werden, so dass sowohl die elektrische Ladung als auch der Magnetismus im Proton über einen ausgedehnten Bereich verteilt sind. Diese Ausdehnung des Protons führt zu Verschiebungen der Energieniveaus im Wasserstoff – und im Umkehrschluss lassen sich aus den gemessenen Verschiebungen die elektrischen und magnetischen Protonenradien bestimmen.

Der Durchbruch

2010 veröffentlichten die Wissenschaftler die ersten spektroskopischen Messungen der Verschiebung des sog. 2S-Energieniveaus in myonischem Wasserstoff. Für die Herstellung dieser exotischen Variante beschossen sie Wasserstoff mit Myonen (diese Teilchen stimmen in fast allen Eigenschaften mit Elektronen überein, sind jedoch 200mal schwerer) aus einem Beschleuniger am PSI. Diese nehmen, wenn sie langsam genug sind, im Wasserstoffatom den Platz der Elektronen ein. Auf Grund seiner grossen Masse kommt das Myon dem Proton sehr viel näher als das Elektron, dementsprechend stärker ist auch die Verschiebung der Energieniveaus. Ihre Messung stellt hohe technische Anforderungen an das Experiment: Da die myonischen Wasserstoffatome sehr kurzlebig sind (Myonen leben etwa nur 2 Millionstel Sekunden), müssen die Lichtpulse für die Anregung der Resonanz innerhalb von Nanosekunden nach der Registrierung eines Myons auf das Wasserstofftarget abgefeuert werden.

Genauer als genau

In dem jetzt in Science beschriebenen Experiment wurde die Verschiebung für einen weiteren Übergang in myonischem Wasserstoff bestimmt. Daraus konnten die Wissenschaftler zum einen erneut den elektrischen Protonenradius ermitteln. Der Wert von 0.84087(39) Femtometern (1 fm = 0.000 000 000 000 001 Meter) ist in Übereinstimmung mit dem 2010 veröffentlichten (0.84184 fm), jedoch noch 1,7mal genauer. Die Diskrepanz zu den Messungen im normalen Wasserstoff bzw. zur Elektron-Proton-Streuung hat also an Gewicht gewonnen. Die neue Messung erlaubt zudem nun erstmals die Bestimmung des magnetischen Radius des Protons aus der Laserspektroskopie an myonischem Wasserstoff. Der so bestimmte Wert von 0.87(6) Femtometern stimmt gut mit den bisherigen Werten überein. Auch wenn die Genauigkeit derzeit nicht besser ist als die der bisherigen Messungen, birgt die Laserspektroskopie von myonischem Wasserstoff das Potenzial, die Messgenauigkeit für den magnetischen Radius in Zukunft deutlich zu steigern.

Herausforderung für die Wissenschaft

Den Ursachen des Proton-Rätsels auf den Grund zu gehen ist weltweit Motivation für vielseitige Untersuchungen. Einerseits werden die alten Messungen im Wasserstoff und in der Elektronenstreuung neu analysiert oder wiederholt. Zum andern beteiligen sich Theoretiker vieler Fachrichtungen intensiv an der Suche nach der Lösung. Äusserst spannende Vorschläge versuchen, die beobachtete Diskrepanz durch Physik jenseits des Standardmodells zu erklären. Aber es könnte auch sein, dass das Proton eine viel komplexere Struktur hat als bisher angenommen, die jedoch erst unter dem Einfluss des schweren Myons deutlich wird. Um diesen Effekt abzuklären, sind weitere Messungen notwendig. So sind bereits Experimente zur Myon-Proton-Streung am PSI in Planung. Am Elektronenbeschleuniger in Mainz sind neue Präzisionsmessungen im Gespräch. Und die Spektroskopie myonischer Atome wird vorangetrieben: so wird dieses Jahr erstmalig auch myonisches Helium spektroskopisch vermessen – von derselben Forschergruppe, wiederum am PSI.

Internationale Zusammenarbeit

Am hier beschriebenen Experiment sind zahlreiche Einrichtungen aus verschiedenen Ländern beteiligt. Die wichtigsten sind: Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching bei München, Paul Scherrer Institut PSI, Villigen, Schweiz, Institut für Teilchenphysik, Eidgenössische Technische Hochschule ETH Zürich, Schweiz, Laboratoire Kastler Brossel, Paris, Frankreich, Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart und Dausinger & Giesen GmbH, Stuttgart, Deutschland, Departamento de Física, Universidade de Coimbra, Coimbra, Portugal, Departement für Physik, Universität Freiburg, Freiburg, Schweiz.

Das Physikdepartement der Universität Freiburg hat von Anfang an (1990er Jahre) bis zum Jahre 2003, als die ME-Gruppe (Physik der mittleren Energien) wegen der Pensionierung des dafür verantwortlichen Professors (Lukas Schaller) offiziell aufgelöst wurde, an den Messungen zur Bestimmung des Protonenradius teilgenommen. Dank weiterer finanzieller Unterstützung durch den SNF konnte die damalige Doktorandin Livia Ludhova 2005 ihre Doktorarbeit beenden, hat dann aber zusammen mit Prof. Schaller und den postdoktoralen Forschern der Gruppe (Françoise Mulhauser und Paul Knowles) weiterhin am Experiment teilgenommen.

Link zur Publikation in Science:
Proton structure from the measurement of 2S − 2P transition frequencies of muonic hydrogen.


Kontakte:
Universität Freiburg, Schweiz: Dr Paul Knowles, +41 26 300 90 64, paul.knowles@unifr.ch
ETH Zürich, Schweiz: Dr. Aldo Antognini, +41 56 310 46 14, aldo@phys.ethz.ch
Paul Scherrer Institut, Schweiz: Dr. Franz Kottmann, +41 56 310 35 02, franz.kottmann@psi.ch
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Deutschland: Dr. Randolf Pohl, +49 -89 329 05 281, randolf.pohl@mpq.mpg.de
Ludwig-Maximilians-Universität München, Deutschland: Prof. Dr. Theodor W. Hänsch, +49 89 329 05 702, t.w.haensch@mpq.mpg.de