Proton: Und es ist doch kleiner!

Seit Jahren ergeben Messungen des Protonenradius abweichende Werte – Ursache unklar. Jetzt bestätigt eine Messung mittels Laser-Frequenzkamm, dass das Proton tatsächlich kleiner ist als lange gedacht. Zudem belegt sie, dass die Diskrepanzen nicht am Austausch des Wasserstoffelektrons gegen ein Myon bei einigen Messungen liegen. Das räumt Zweifel an der fundamentalen Theorie der Quantenelektrodynamik aus, so die Forscher im Fachmagazin „Science“.

Das Proton ist einer der fundamentalen Bausteine der Materie: Gemeinsam mit dem Neutron bildet es den Atomkern, außerdem beeinflusst es über die Rydberg-Konstante das Spektralverhalten aller Elemente. Entsprechend wichtig ist es, grundlegende Merkmale dieses Teilchen genau zu kennen, darunter vor allem seinen Radius. Doch genau hier hapert es – seit Jahren ergeben verschiedene Messmethoden und Experimente abweichende Werte.

Liegt die Quantenelektrodynamik falsch?

Messungen, bei denen das Elektron des Wasserstoffs durch das schwerere Myon ersetzt wurde, haben mehrfach überraschend geringe Werte für den Protonenradius ergeben – sie lagen um das Vierfache unter dem langjährigen CODATA-Referenzwert von 0,8768 Femtometer. 2019 kam eine Messung auf Basis der Elektronenstreuung am Proton auf einen noch niedrigeren Wert von nur 0,831 Femtometer. Inzwischen hat die CODATA reagiert und empfiehlt nun die Nutzung eines Referenzwerts von 0,841 Femtometer.

Doch zwei Fragen bleiben offen: Zum einen ist unklar, warum neben dem Team von 2019 auch einige spektroskopische Messungen noch unter dem neuen empfohlenen Protonenradius liegen. Zum anderen stellt sich die Frage, welche Rolle dafür die Nutzung von myonischem Wasserstoff versus normalen Wasserstoff mit einem Elektron spielt: Nach der Theorie der Quantenelektrodynamik (QED) müssten beide Varianten auf denselben Protonenradius kommen. Doch 2018 weckte eine spektroskopische Messung am normalen Wasserstoffatom daran Zweifel: Sie kam fast auf den alten CODATA-Wert von 0,8768 Femtometer.

Protonenvermessung mittels Laser-Frequenzkamm

Sollte die Quantenelektrodynamik irren? Um das zu klären, haben nun Alexey Grinin und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching den Protonenradius noch einmal mit einer neuen Methode vermessen. Dafür ermittelten die Energie für den Elektronenübergang vom angeregten 3S-Zustand in das 1S-Niveau bei normalen Wasserstoffatomen. Daraus lässt sich der Protonenradius ermitteln.

Für dieser Messung nutzten die Forscher die Methode der Doppler-freien Zwei-Photonen Frequenzkamm-Spektroskopie. Hinter diesem Wortungetüm verbirgt sich eine Technik, bei der Licht hochpräzise in einzelne Wellenlängen aufgespalten wird. Diese stehen wie in einem Kamm nebeneinander und ermöglichen besonders genaue spektroskopische Messungen. Im Falle der aktuellen Messung gelang es dem Team, den Radius des Protons auf 13 Nachkommastellen und mit viermal höherer Genauigkeit zu messen.

Kleiner Radius bestätigt – auch für atomaren Wasserstoff

Das Ergebnis: Grinin und seine Kollegen kommen für dem Protonenradius auf einen Wert von 0,8482 Femtometer. Ihre Messung bestätigt damit, dass der alte CODATA-Referenzwert zu hoch war. „Unser Wert stimmt aber gut mit dem korrigierten CODATA-Wert von 0,841 Femtometer überein, der bislang nur online verfügbar ist“, konstatieren die Forscher.

Gleichzeitig belegt dieses Ergebnis, dass die geringeren Werte nicht nur für Messungen mit myonischem Wasserstoff gelten, sondern auch für den atomaren, normalen Wasserstoff. „Unsere Arbeit stützt die Daten aus dem myonischen Wasserstoff“, sagen die Wissenschaftler. Merkwürdig jedoch: Der aktuelle Wert widerspricht der Messung von 2018, bei der Physiker in Paris den gleichen Elektronenübergang – 1S-3S – gemessen hatten – wenn auch mit einer anderen Spektroskopiemethode.

Sind experimentelle Fehler schuld?

„Unser Ergebnis deutet auf weitere, noch nicht aufgedeckte systematische Effekte in einer oder auch in beiden Messmethoden hin“, konstatieren Grinin und seine Kollegen. Insgesamt kommen sie zu den Schluss, dass die Quantenelektrodynamik weiterhin gilt und es keine physikalisch begründeten Abweichungen von myonischem und atomarem Protonenradius gibt. Stattdessen scheint das Problem mit den abweichenden Protonenradien primär an experimentellen Faktoren zu liegen. (Science, 2020; doi: 10.1126/science.abc7776)

Quelle: Max-Planck-Institut für Quantenoptik