Rätselhafte Abweichung: Das Proton ist offenbar noch kleiner als bislang angenommen. Denn eine neue, besonders präzise Messmethode hat nun einen Protonradius von 0,831 Femtometern ergeben. Dies weicht von vielen älteren Werten ab, bestätigt aber zwei neuere Messungen. Das könnte bedeuten, dass der erst 2018 angepasste offizielle Standardwert für den Protonradius noch einmal korrigiert werden muss, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.
Das Proton ist einer der fundamentalen Bausteine der Materie, denn zusammen mit dem Neutron bildet es den Atomkern. Gleichzeitig bilden seine Eigenschaften die Basis für wichtige Naturkonstanten, darunter die Rydberg-Konstante. Mit ihr lassen sich beispielsweise Spektrallinien bestimmten Elementen zuordnen.
Rätsel um den wahren Protonradius
Schon seit 2010 jedoch sorgen seltsame Abweichungen bei Messungen des Protonradius für Diskussionen. Damals ermittelten Forscher durch Laserspektroskopie einer Proton-Myon-Verbindung einen Protonenradius, der rund vier Prozent unter dem offiziellen Standardwert von 0,8768 Femtometern lag. 2016 kam eine Laserspektroskopie des Deuteriumkerns auf ähnlich niedrige Werte. Im Jahr 2018 korrigierte daraufhin das „Committee on Data for Science and Technology“ (CODATA) den offiziellen Standardwert für den Protonradius nach unten – auf 0,8414 Femtometer.
Doch selbst dieser Wert ist nicht unumstritten. Denn 2017 und Anfang 2019 stellten zwei Forschergruppen erneut Abweichungen zum Standardwert fest – sie kamen unabhängig voneinander auf einen noch kleineren Protonradius. „Trotz erheblicher experimenteller und theoretischer Bemühungen ist das Rätsel um den Protonenradius damit noch immer ungelöst“, erklären Ashot Gasparian von der North Carolina A&T State University und seine Kollegen.
Neue Messmethode
Um das Rätsel zu knacken, haben Gasparian und sein Team nun den Protonradius noch einmal mit einer ganz neuen Methode nachgemessen. Ihr Experiment nutzt dabei die Streuung eines Elektronstrahls am Wasserstoffatom als Indikator für den Protonradius. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektronenstreu-Verfahren registriert dabei nicht ein Magnet-Spektrometer die abgelenkten Elektronen, sondern ein Kalorimeter.
Dadurch und durch eine besonders nah am Proton liegende Position der Sensoren ist diese Messmethode erheblich präziser als frühere Verfahren dieser Art, wie die Forscher erklären. Gleichzeitig ermöglicht sie eine unabhängige Überprüfung früherer Messungen durch ein weiteres Verfahren.
Kleiner als der neue Standardwert
Das Ergebnis: Die Forscher kommen mit ihrem Experiment auf einen Wert von 0,831 Femtometer für den Protonradius. Damit liegen sie deutlich unter dem zurzeit geltenden Standardwert von 0,841 Femtometern. Gleichzeitig aber bestätigt dieses Ergebnis die jüngsten Messungen anderer Forschergruppen, die den Protonradius an einer Proton-Myon-Verbindung und mithilfe der Spektroskopie ermittelt hatten. Das könnte bedeuten, dass der offizielle CODATA-Standard künftig erneut angepasst werden muss. (Nature, 2019; doi: 10.1038/s41586-019-1721-2)
Quelle: DOE/Thomas Jefferson National Accelerator Facility
