Atomkern kleiner als gedacht?

Rätselhafte Diskrepanz: Der Deuteriumkern ist kleiner als bisher gedacht, wie eine neue Messung zeigt. Damit weicht schon zum zweiten Mal ein Atomkern-Radius von den bisher gängigen Werten ab. Diese Abweichung spricht dafür, dass eine der fundamentalen Größen der Physik bisher falsch bestimmt wurde – der Radius des Protons, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten. Sollte sich dies bestätigen, müssen die Werte für mehrere Naturkonstanten nachjustiert werden.

Das Proton ist einer der fundamentalen Bausteine der Materie, denn zusammen mit dem Neutron bildet es den Atomkern. Gleichzeitig liefern die Eigenschaften des Protons die Basis für wichtige Naturkonstanten, darunter die Rydberg-Konstante. Mit ihr lassen sich beispielsweise Spektrallinien bestimmten Elementen zuordnen. Umso folgenreicher könnte es sein, wenn sich bisherige Messungen beispielsweise zur Größe des Protons als falsch oder ungenau herausstellen.

Rätsel des Protonenradius

Doch genau dies schien 2010 der Fall: Wissenschaftler hatten damals mit Hilfe der Laserspektroskopie den Radius des Protons nachgemessen. Dabei jedoch kamen sie statt des bis dahin anerkannten Werts von 0,8768 Femtometern auf einen Radius von nur 0,84184 Femtometern. Das Proton war demnach kleiner als bisher gedacht.

Dieses Messergebnis sorgte für Aufsehen und heftige Diskussionen. War möglicherweise die Messung fehlerhaft? Oder stimmte der alte Wert etwa nicht? War vielleicht sogar eine bisher unbekannte physikalische Kraft am Werk? „Nachdem 2010 unsere erste Studie herausgekommen war, fürchtete ich, dass sich ein altgedienter Physiker melden und uns auf einen groben Schnitzer hinweisen würde“, berichtet Randolf Pohl von der Universität Mainz. „Aber die Jahre sind vergangen und bis heute ist nichts dergleichen passiert.“

Auch das Deuteron ist kleiner

Stattdessen vertieft nun eine neue Messung das Rätsel um den Protonradius noch. Denn nun haben Pohl und seine Kollegen auch den Radius eines weiteren Atomkerns neu bestimmt, diesmal den des Deuteriumkerns oder Deuterons. Dieses Teilchen besteht nur aus einem Proton und einem Neutron und ist damit der einfachste zusammengesetzte Atomkern.

Teil der Laseranlage, die für das Experiment zur Bestimmung der Deuterongröße benötigt wird. © Paul Scherrer Institut/ A. Antognini und F. Reiser

Und wieder weichen die neuen Laserspektroskopie-Messungen von den alten Werten ab: Für den Radius des Deuteriumkerns ermittelten die Forscher nur 2,12562 Femtometer statt der bisher gängigen 2,1424 Femtometer. „Das spricht ebenfalls für einen kleineren Protonradius, ähnlich dem, der schon für den myonischen Wasserstoff ermittelt wurde – was das Rätsel um den Protonradius noch vertieft“, so Pohl und seine Kollegen.

Das Messprinzip

Für ihre Messung hatten die Forscher wie beim Proton die Laserspektroskopie genutzt. Sie ersetzten dafür zunächst das Elektron des Deuteriums, des schweren Wassers, durch ein Myon. Diese Elementarteilchen sind ebenfalls negativ geladen und ähneln den Elektronen stark, sind aber rund 200 Mal schwerer als diese. Dadurch bewegen sich die Myonen viel näher am Atomkern und ihre Bahnen hängen stärker von der Größe dieses Kerns ab.

Dies nutzten die Forscher aus: Mit einem hochkomplexen gepulsten Lasersystem führten sie dem Myon Energie zu. Bei der exakt richtigen Wellenlänge wird das Myon kurzeitig auf einen höheren Energiezustand angehoben. Beim Zurückfallen in den Grundzustand sendet es Röntgenphotonen aus. Aus der Menge dieser Photonen lässt sich der energetische Abstand der Myonenbahnen um den Kern ermitteln – und daraus wiederum der Radius des Deuterons.

Experimentierhalle des Paul Scherrer Instituts © Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

Fehler eher bei den alten als bei den neuen Werten

Der mit dieser Methode ermittelte Radius für das Deuteron bestätigt nun erneut, dass das Proton kleiner sein muss als lange angenommen. „Man könnte sagen: Das Rätsel hat sich jetzt doppelt bestätigt“, sagt Pohl. Warum die neuen Werte von den alten, zigfach ermittelten Radien abweiche, ist noch immer unklar.

Die Forscher vermuten aber, dass der Fehler eher bei den alten Messungen als bei den neuen liegt. „Dass unsere Methode, die Laserspektroskopie, fehlerhaft ist, glaubt inzwischen niemand mehr aus der Community“, stellt Koautor Aldo Antognini vom Paul-Scherrer-Institut klar. „Stattdessen ließe sich das Rätsel sehr leicht lösen, wenn wir von einem minimalen experimentellen Problem bei der Wasserstoffspektroskopie ausgehen.“

Müssen Naturkonstanten angepasst werden?

Mehrere Forschergruppen weltweit sind bereits dabei, neue Messungen auch mit der Wasserstoffspektroskopie und eine weitere Methode durchzuführen. Sollte sich tatsächlich herausstellen, dass die Wasserstoffspektroskopie einen falschen Wert liefert, dann hätte dies erhebliche Konsequenzen. „Das würde bedeuten, dass die Rydberg-Konstante minimal geändert werden muss“, erklärt Antognini.

Die Rydberg-Konstante war bisher unter allen physikalischen Konstanten diejenige, die mit der höchsten Genauigkeit bestimmt wurde: Selbst ihre elfte Nachkommastelle ist schon bekannt. Bestätigt sich jedoch der kleinere Protonradius, würden sich die letzten Stellen hinter dem Komma ändern. Das hätte für viele Bereiche der Physik Konsequenzen und würde auch zu minimalen Korrekturen weiterer Naturkonstanten führen. (Science, 2016; doi: 10.1126/science.aaf2468)

(Paul Scherrer Institut/ Science, 15.08.2016 – NPO)