Ansprechpartner

Dr. Randolf Pohl

Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching

Telefon: +49 89 32905-281

Originalpublikation

Aldo Antognini et al.
Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen
Science, 25. Januar 2013; DOI: 10.1126/science.1230016

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Viele Rätsel können Physiker lösen, indem sie genauer und sorgfältiger messen. Manche Probleme entstehen so jedoch erst, und verschwinden auch mit einem zweiten noch schärferen Blick nicht wieder. Zur zweiten Kategorie gehört der Radius des Protons, also eines Wasserstoffkerns. Mit einer weiteren Messung am Paul-Scherrer-Institut im Schweizer Villigen liefert ein internationales Team, an dem Forscher des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching maßgeblich beteiligt waren, nun den zweiten Beleg, dass der Ladungsradius des Protons deutlich kleiner ist, als bisherige Experimente ergeben hatten. Der Ladungsradius beschreibt den Raum, in dem sich die positive Ladung des Kerns konzentriert. Um ihn zu bestimmen, nutzen die Forscher Effekte in myonischem Wasserstoff, in dem ein Myon das Elektron ersetzt. Wie die deutlich verschiedenen Ergebnisse der beiden Messverfahren zu erklären sind, debattieren Physiker derzeit lebhaft. Die Diskrepanz könnte nämlich auf verschiedene grundsätzliche Verständnislücken hindeuten – angefangen bei einem unvollständigen Bild des Protonenaufbaus, bis hin zu einem Elementarteilchen, das vom Standardmodell der Teilchenphysik nicht erfasst wird.
Verstärkung für ein Laser-Experiment: Mit einem intensiven grünen Strahl, dessen Licht für dieses Foto gefiltert wurde, präparieren die Forscher um Randolf Pohl vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik einen optisch aktiven Titan-Saphir-Kristall (rechts außerhalb des Bildes), der den roten Strahl verstärkt. Von mehreren Spiegeln wird der rote Strahl dabei wiederholt durch den Kristall gelenkt. Das so verstärkte rote Licht verwandeln die Wissenschaftler in infrarotes Licht, um damit myonischen Wasserstoff anzuregen. Aus diesen Experimenten schließen sie auf den Protonenradius. Bild vergrößern
Verstärkung für ein Laser-Experiment: Mit einem intensiven grünen Strahl, dessen Licht für dieses Foto gefiltert wurde, präparieren die Forscher um Randolf Pohl vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik einen optisch aktiven Titan-Saphir-Kristall (rechts außerhalb des Bildes), der den roten Strahl verstärkt. Von mehreren Spiegeln wird der rote Strahl dabei wiederholt durch den Kristall gelenkt. Das so verstärkte rote Licht verwandeln die Wissenschaftler in infrarotes Licht, um damit myonischen Wasserstoff anzuregen. Aus diesen Experimenten schließen sie auf den Protonenradius. [weniger]

Auf den wissenschaftlichen Konferenzen, die Randolf Pohl in den vergangenen drei Jahren besucht hat, ging es sehr lebendig zu – und das wird vermutlich auch noch eine Weile so bleiben. Denn die Fachgemeinde, die sich dort versammelt, tüftelt gemeinsam an einem Rätsel: Immer wieder präsentieren Redner mögliche Lösungen und begründen sie mit mathematisch formulierten Argumenten. Dabei ziehen sie auch schon mal Theorien in Zweifel, die seit Jahrzehnten als gesichert gelten. Andere Vortragende suchen nach Schwachstellen in den Ausführungen ihrer Kollegen und stellen eigene Rechnungen vor, mit denen sie deren Thesen widerlegen. Schließlich ziehen sich alle wieder zurück an ihre Schreibtische und in die Labore, um beim nächsten Treffen mit neuen spitzfindigen Überlegungen die Debatte anzuheizen.

Randolf Pohl und seinen Kollegen des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik sowie einiger anderer renommierter Forschungseinrichtungen kommt bei der Knobelei gewissermaßen die Rolle der Quiz-Meister zu. Denn erst mit ihren Experimenten stellte sich das Rätsel. Und damit die Spannung nicht nachlässt, legen sie jetzt noch einmal nach. Das Team, an dem auch Forscher der ETH Zürich, der Ècole Normale Supérieure in Paris, der Universität Coimbra in Portugal und einiger weiterer Institutionen beteiligt waren, haben nämlich gerade einen neuen Wert für den Ladungsradius eines Protons, also des Kerns eines Wasserstoffatoms, veröffentlicht. „Die neuen Ergebnisse bestätigen den Befund, den wir vor drei Jahren veröffentlicht haben, sind aber noch genauer“, sagt der Physiker des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching. Demnach liegt der Ladungsradius des Protons zwischen 0,84087 +/- 0,00039 Femtometer – ein Femtometer ist der millionste Teil eines Millionstel Millimeters. Mit einer anderen Messmethode ermittelten zwei unabhängige Gruppen erst kürzlich, dass der Ladungsradius bei 0,879 +/- 0,009 Femtometer beziehungsweise 0,875 +/- 0,011 Femtometern liegen müsse.

Das Myon ist besonders sensibel für den Protonenradius

Wie sehr sich die Ergebnisse der beiden Messmethoden unterscheiden, lässt sich veranschaulichen, wenn man ihre Positionen und Fehlerbreiten auf eine Deutschlandkarte überträgt. Angenommen, man würde Ergebnis von Randolf Pohls Team im Zentrum Münchens verorten, und das der konkurrierenden Messung im Stadtkern Hamburgs. Dann entspräche die Unsicherheit des Münchner Wertes der Entfernung zwischen den beiden Münchner Stadtteilen Pasing und Trudering. Die Hamburger Messung wäre dagegen so ungenau, dass der tatsächliche Wert mit hoher Wahrscheinlichkeit auch irgendwo zwischen Flensburg und Hannover liegen könnte. Dass es da Probleme gibt ist klar – die gäbe es ja auch, wenn man den Hamburger Michel auf einmal am Münchner Marienplatz suchen würde.

Zwei Ytterbium-YAG-Scheiben-Laser, die besonders intensives Licht aussenden, fahren die Physiker um Randolf Pohl am Paul-Scherrer-Institut auf (Vordergrund) und verstärken deren Pulse sogar noch (Hintergrund). Außerdem verdoppeln sie die Wellenlänge des Lichts mit nichtlinearen optischen Kristallen. Mit den nun intensivgrünen Pulsen verstärken die Forscher wiederum das rote Licht eines Titan-Saphir-Lasers. Bild vergrößern
Zwei Ytterbium-YAG-Scheiben-Laser, die besonders intensives Licht aussenden, fahren die Physiker um Randolf Pohl am Paul-Scherrer-Institut auf (Vordergrund) und verstärken deren Pulse sogar noch (Hintergrund). Außerdem verdoppeln sie die Wellenlänge des Lichts mit nichtlinearen optischen Kristallen. Mit den nun intensivgrünen Pulsen verstärken die Forscher wiederum das rote Licht eines Titan-Saphir-Lasers. [weniger]

In gewöhnlichem Wasserstoff, in dem ein Elektron um das Proton schwirrt, ist der Einfluss des Protonenradius jedoch sehr klein, weil das leichte Elektron sich meisten weit weg vom Kern rumtreibt. In einer exotischen Variante des Elements, in dem ein Myon statt eines Elektrons den Atomkern umkreist, ist der Effekt jedoch deutlich größer. Myonischen Wasserstoff erzeugen Physiker am Paul-Scherrer-Institut im Schweizer Villigen, wo sie die weltweit stärksten Myonenstrahlen nutzen können.

Für die Vermessung des Protons empfiehlt er sich ebenso wie für manche andere Experimente, weil ein Myon wie ein Elektron eine negative Ladung trägt, aber rund 200 Mal schwerer ist. Wegen seiner höheren Masse hält sich das Myon dichter am Kern auf und reagiert daher empfindlicher auf den Protonenradius als ein herkömmliches Elektron. So wird es möglich, den Ladungsradius sehr genau zu bestimmen – genauer jedenfalls, als das die bis dato übliche Methode der Elektronenstreuung erlaubte. Bei diesen Messungen schießen Wissenschaftler Elektronen auf Wasserstoffkerne und beobachteten, wie sie an den Protonen abgelenkt werden. „Vielleicht gibt es auch bei der Elektronenstreuung einen systematischen Fehler, den wir bislang nicht kennen“, sagt Randolf Pohl. “Aber das wäre eine ziemlich langweilige Erklärung.“

Mit myonischem Wasserstoff lässt sich auch der magnetische Radius ermitteln

Für die Messungen am myonischen Wasserstoff spricht, dass sie mehr als zehnmal genauer sind als die Ergebnisse der Elektronenstreuung. Und je präziser eine Messung ist, als desto zuverlässiger gilt sie. Zudem haben Physiker inzwischen einige der möglichen systematischen Fehler der Experimente mit myonischen Waserstoff diskutiert – und ausgeschlossen. So hatten manche Zweifler spekuliert, ob Pohls Team vielleicht negativ geladene myonische Wasserstoff-Ionen, die ein Myon und ein Elektron enthalten, oder Moleküle aus zwei Protonen und einem Myon in den Blick genommen haben, ohne es zu wissen. Doch dieser Vermutung haben Physiker aus Paris mit Berechnungen inzwischen die Basis entzogen: Selbst wenn die beiden exotischen Gebilde entstehen, bleiben sie nicht lange genug stabil, um sie zu untersuchen.

Inzwischen hat sich die Spektroskopie an myonischem Wasserstoff nicht nur als zuverlässiges Verfahren erwiesen, um den Ladungsradius des Protons zu messen. Jetzt hat das Team um die Max-Planck-Physiker auf diese Weise auch den magnetischen Radius des Protons ermittelt. Der magnetische Radius gibt an, in welchem Bereich die Magnetisierung verteilt ist. Diese ergibt sich durch den Spin des Protons, dadurch also, dass sich das geladene Teilchen ständig um sich selbst dreht. Elektrischer und magnetischer Radius müssen nicht unbedingt gleich groß sein. Denn während der Ladungsradius den Raum beschreibt, in dem sich die Ladung aufhält, kann man sich den magnetischen Radius als die Region vorstellen, in der die Kreisströme fließen, die einem Proton sein magnetisches Moment geben.

 
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