Forschungsbericht 2014 - Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Laserspektroskopie myonischer Atome

Autoren
Pohl, Randolf
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Zusammenfassung
Eine exotische Form des Wasserstoffs, bei dem der zentrale Atomkern – ein einzelnes Proton – von einem Myon anstelle eines Elektrons umkreist wird, erlaubt neuartige Untersuchungen der Protonenstruktur. Überraschenderweise ergibt sich dabei ein 4% kleinerer Ladungsradius als in bisherigen Messungen. Dieses „proton radius puzzle” gibt Anlass zu vielfältigen Spekulationen, sogar die Quantenelektrodynamik und das Standardmodell der Teilchenphysik werden in Frage gestellt. Laserspektroskopie von myonischem Deuterium und myonischen Helium-Ionen soll das „proton radius puzzle” zu lösen.

Myonen

Die Kern- und Teilchenphysik schien nach 1932 für einen Zeitraum von genau vier Jahren in perfekter Ordnung zu sein: Das Elektron war im Jahre 1897 von Joseph J. Thomson nachgewiesen worden, der Atomkern 1911 von Ernest Rutherford, der 1917 auch noch das Proton entdeckte. Mit der Entdeckung des Neutrons durch James Chadwick im Jahre 1932 schien die subatomare Welt komplett.

Doch 1936 entdeckten Carl D. Anderson und Seth Neddermeyer in der kosmischen Strahlung ein neues Teilchen, etwa 200 Mal so schwer wie das Elektron! „Who ordered that?!” soll Isidor I. Rabi entsetzt gefragt haben, denn das neue Teilchen schien in der Tat in kein Schema zu passen.

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Original 1508157129
Abb. 1: Das Standardmodell der Teilchenphysik (Quelle: Wikipedia). Die uns vertraute Materie (Protonen und Neutronen) besteht aus den up- und down-Quarks, die den Atomkern aufbauen, sowie dem Elektron, das den Atomkern umkreist, und dem dazugehörigen Neutrino. Diese Teilchen bilden die 1. Generation oder Familie. Das Myon und sein Neutrino gehört mit dem charm- und dem strange-Quark zur 2. Familie. Myonen sind etwa 200 Mal schwerer als Elektronen, diesen in allen anderen Eigenschaften jedoch sehr ähnlich. Insbesondere kann ein Myon die Elektronen in einem Atom ersetzen und mit diesem ein „myonisches Atom” bilden.
Abb. 1: Das Standardmodell der Teilchenphysik (Quelle: Wikipedia). Die uns vertraute Materie (Protonen und Neutronen) besteht aus den up- und down-Quarks, die den Atomkern aufbauen, sowie dem Elektron, das den Atomkern umkreist, und dem dazugehörigen Neutrino. Diese Teilchen bilden die 1. Generation oder Familie. Das Myon und sein Neutrino gehört mit dem charm- und dem strange-Quark zur 2. Familie. Myonen sind etwa 200 Mal schwerer als Elektronen, diesen in allen anderen Eigenschaften jedoch sehr ähnlich. Insbesondere kann ein Myon die Elektronen in einem Atom ersetzen und mit diesem ein „myonisches Atom” bilden.

Im heute gültigen Standardmodell der Teilchenphysik (Abb. 1) hat das Myon natürlich seinen Platz: Während das Elektron und sein Neutrino, sowie die up- und down-Quarks (die zusammen das Proton und das Neutron aufbauen) die „1. Familie” im Standardmodell bilden, gehört das Myon zur „2. Familie”.

Myonen sind in vielerlei Hinsicht dem Elektron sehr ähnlich: Sie sind wie das Elektron negativ geladen und wie dieses punktförmig, d. h. sie haben keine Substruktur. Allerdings haben Myonen, im Gegensatz zu Elektronen, eine sehr begrenzte Lebensdauer: sie zerfallen im Mittel nach 2,2 Mikrosekunden in ein Elektron und zwei Neutrinos. Diese Zeitspanne reicht jedoch aus, um präzise Untersuchungen durchzuführen. Der für das hier beschriebene Experiment wichtigste Unterschied ist allerdings die Masse: Ein Myon hat die 200-fache Masse eines Elektrons.

Myonische Atome

Als „schwere Elektronen” können negativ geladene Myonen eine Bindung mit einem positiv geladenen Atomkern eingehen. Das einfachste dieser exotischen Atome ist der myonische Wasserstoff, also ein Proton, das von einem einzelnen Myon umkreist wird. Wegen seiner großen Masse ist der mittlere Abstand zwischen Myon und Proton (Bohr'scher Radius) etwa 200 Mal kleiner als in normalem Wasserstoff. Das Myon kommt dem Proton dabei so nahe, dass es tatsächlich einen nicht vernachlässigbaren Teil der Zeit im Inneren des Protons verbringt! Hier spürt das Myon eine verringerte elektrische Anziehungskraft zum Proton, was die Lage einiger Energieniveaus von myonischem Wasserstoff verändert und zwar umso stärker, je größer das Proton ist.

Laserspektroskopie von myonischem Wasserstoff

Die erstmalige Laserspektroskopie von Energieniveaus in myonischem Wasserstoff gelang einer internationalen Kollaboration am Schweizerischen Paul-Scherrer-Institut (PSI) unter Federführung von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) [1]. Neuartige Laser sowie ein weltweit einzigartiger Strahl niederenergetischer Myonen waren der Schlüssel zum Erfolg, der immerhin 12 Jahre auf sich warten ließ. Man hatte jahrelang an der falschen Stelle gesucht!

Das Experiment ergibt einen mittleren Ladungsradius des Protons von Rp=0,8409(4) fm (femtometer = 10-15 Meter) [1,2]. Dies ist zehnmal genauer als der bisher akzeptierte „CODATA” Wert von Rp=0,8775(51) fm [3], jedoch 4%, bzw. 7 Standardabweichungen kleiner. Der CODATA-Wert setzt sich zusammen aus Messergebnissen der elastischen Elektron-Proton-Streuung und der Präzisionsspektroskopie von „normalem” (elektronischen) Wasserstoff, die am MPQ eine jahrzehntelange Tradition hat. Bei der Elektronenstreuung, die kürzlich am Mainzer MAMI-Beschleuniger mit bisher unerreichter Genauigkeit durchgeführt wurde [4], ermittelt man den Ladungsradius des Protons Rp=0,879(8) fm aus dem Verlauf des gemessenen Formfaktors. Die Laserspektroskopie des 1S-2S-Überganges in atomaren Wasserstoff am MPQ [5] ergibt in Verbindung mit der Rydberg-Konstanten, die auch im atomaren Wasserstoff gemessen wurde, einen Wert von Rp=0,876(8) fm [3].

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Original 1508157130

Abb. 2: Das „Rätsel um das Proton”: Der Ladungsradius des Protons ergibt sich zu 0,88 fm, wenn man ihn mit Elektronen vermisst. Hier stimmen die Resultate aus der Präzisionsspektroskopie von Wasserstoff und der elastischen Elektron-Proton-Streuung überein. Die Ergebnisse zweier Messungen im myonischen Wasserstoff zeigen einen Protonenradius von 0,84 fm, mit einer zehnmal kleineren Unsicherheit. Die Suche nach der Ursache dieser Diskrepanz ist ein zurzeit sehr aktives Forschungsgebiet.

Abb. 2: Das „Rätsel um das Proton”: Der Ladungsradius des Protons ergibt sich zu 0,88 fm, wenn man ihn mit Elektronen vermisst. Hier stimmen die Resultate aus der Präzisionsspektroskopie von Wasserstoff und der elastischen Elektron-Proton-Streuung überein. Die Ergebnisse zweier Messungen im myonischen Wasserstoff zeigen einen Protonenradius von 0,84 fm, mit einer zehnmal kleineren Unsicherheit. Die Suche nach der Ursache dieser Diskrepanz ist ein zurzeit sehr aktives Forschungsgebiet.

Die Diskrepanz zwischen myonischem und elektronischem Wert des Protonenradius hat zu vielfältigen Erklärungsversuchen geführt [6], die auch wissenschaftlichen Laien griffig vermittelt werden können [7]. Natürlich könnte das „Rätsel um das Proton” auf Fehler in den verschiedenen Messungen oder Berechnungen zurückzuführen sein. Sollte das Rätsel um das Proton (Abb. 2) auch nach neuen Messungen und verfeinerten Rechnungen Bestand haben, könnte die Messung in myonischem Wasserstoff auf eine bisher unverstandene Struktur des Protons hinweisen. Ähnlich den Gezeiten, die von der Anziehung zwischen Erde und Mond herrühren, wird auch das Proton durch die Wechselwirkung mit dem Myon beeinflusst, man sagt, das Proton wird vom Myon „polarisiert”. Dieser Effekt ist zwar in der Theorie des myonischen Wasserstoffes berücksichtigt. Es gibt jedoch neue Vorschläge, in denen das Proton vom Myon unerwartet stark polarisiert wird.

Manche Autoren gehen noch weiter und postulieren, physikalische Phänomene jenseits des Standardmodells könnten für die Diskrepanz verantwortlich sein. Neue, bislang unentdeckte Teilchen könnten dazu führen, dass das Myon stärker an das Proton gebunden ist als aufgrund des großen, „elektronischen” Protonenradius zu erwarten wäre. Solch ein neues Teilchen könnte möglicherweise auch ein weiteres Rätsel lösen, das das Myon aufgibt: Das gemessene magnetische Moment des Myons stimmt nämlich nicht mit dem aus dem Standardmodell berechneten Wert überein.

Neue Messungen

Um sowohl experimentelle Fehler auszuschließen als auch die unerwartete Diskrepanz eingehend zu untersuchen werden derzeit weltweit neue Experimente aufgebaut. Die elastische Elektronstreuung wird noch einmal verfeinert, um die früheren Messungen zu überprüfen. Am PSI wird erstmalig die elastische Myon-Proton-Streuung bei niedrigem Impulsübertrag studiert. Dieses Experiment − „MUSE” genannt − kann einerseits direkt überprüfen, ob Elektron und Myon tatsächlich auf unterschiedliche Weise mit dem Proton wechselwirken und andererseits die myonische Polarisierbarkeit des Protons erstmalig genau vermessen.

Auch die Spektroskopie von Wasserstoff und wasserstoffähnlichen Systemen wird weltweit vorangetrieben. Physiker des MPQ arbeiten zum einen an einer Neubestimmung der Rydberg-Konstanten durch Präzisionsspektroskopie der 2S-4P- und 1S-3S-Übergänge in atomarem Wasserstoff [8,9]. Wie erwähnt, lässt sich aus dem ebenfalls am MPQ gemessenen 1S-2S-Übergang in Wasserstoff [5] mithilfe der Rydberg-Konstanten der Protonenradius errechnen.

Außerdem werden die Messungen in myonischen Systemen fortgeführt. Aus einer 2. Messung in myonischem Wasserstoff konnte ein Wert für die magnetische Struktur des Protons bestimmt werden [2]. Noch ist die Unsicherheit aus dieser myonischen Messung größer als die der elektronischen Messungen, aber in Zukunft kann die Messung in myonischem Wasserstoff noch deutlich verbessert werden. Die Messung in myonischem Deuterium, dem schweren Isotop des Wasserstoffes, ist bereits abgeschlossen; die Daten werden analysiert. Daraus ergibt sich ein Ladungsradius des Deuterons, der wiederum mit den „elektronischen” Werten aus der Elektron-Streuung und der Präzisionsspektroskopie von „normalem” Deuterium verglichen werden kann.

Soeben wurde auch erstmalig myonisches Helium-4 laserspektroskopisch untersucht, bei dem die beiden Hüllenelektronen durch ein einziges negatives Myon ersetzt sind. Der experimentelle Aufbau wurde modifiziert und verbessert, und die 1. Resonanz in myonischem Helium konnte bereits im ersten Versuch präzise vermessen werden. Nach dem Winter-Shutdown des PSI-Beschleunigers gehen die Wissenschaftler auf die Suche nach einer 2. Resonanz in myonischem Helium-4, bevor sie sich dann dem myonischen Helium-3 zuwenden.

Aus all diesen Messungen erhält man die Ladungsradien der leichtesten Kerne mit zehnmal größerer Genauigkeit als bisher, und sicherlich auch neue Einsichten is das „Proton radius puzzle”. Die Messungen an myonischem Helium werden durch den ERC Starting Grant #279765 „CREMA” (Charge Radius Experiment with Muonic Atoms) großzügig gefördert.

Die Laserspektroskopie myonischer Atome war seit den 1960er Jahren auf der Wunschliste der Physiker. Die erstmalige Spektroskopie von myonischem Wasserstoff hat ein interessantes Rätsel aufgeworfen, das unser Verständnis des Protons und der einfachsten Atome auf die Probe stellt. Sobald die Diskrepanz erklärt ist, wird die Laserspektroskopie myonischer Atome das Mittel der Wahl sein, um elektrische und magnetische Ladungsradien sowie die Polarisierbarkeit der leichtesten Atomkerne mit bislang unerreichter Genauigkeit zu bestimmen. Nach Proton, Deuteron, Helium-3 und Helium-4 kann prinzipiell auch Tritium, Lithium, Beryllium und Bor per Spektroskopie myonischer Atome vermessen werden.

Literaturhinweise

1.
Pohl, R.; et al.
The size of the proton
Nature 466, 213-216 (2010)
2.
Antognini, A.; et al.
Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen
Science 339, 417-420 (2013)
3.
Mohr, P. J.; Taylor, B. N.; Newell, D. B.
CODATA recommended values of the fundamental physical constants: 2010
Reviews of Modern Physics 84, 1527-1605 (2012)
4.
Bernauer, J. C.; et al.
High-Precision Determination of the Electric and Magnetic Form Factors of the Proton
Physical Review Letters 105, 242001 (2010)
5.
Parthey, C. G.; et al.
Improved Measurement of the Hydrogen 1S–2S Transition Frequency
Physical Review Letters 107, 203001 (2011)
6.
Pohl, R.; Gilman, R.; Miller, G. A.; Pachucki, K.
Muonic Hydrogen and the Proton Radius Puzzle
Annual Review of Nuclear and Particle Science 63, 175-204 (2013)
7.
Hergersberg, P.
Die Physik hat ein Kernproblem
MaxPlanckForschung 2, 46-52 (2013)
8.
Beyer, A.; et al.
Precision spectroscopy of the 2S-4P transition in atomic hydrogen on a cryogenic beam of optically excited 2S atoms
Annalen der Physik (Berlin) 525, 671-679 (2013)
9.
Peters, E.; et al.
Frequency-comb spectroscopy of the hydrogen 1S-3S and 1S-3D transitions
Annalen der Physik (Berlin) 525, L29-L34 (2013)
10.
Antognini, A.; et al.
Illuminating the proton radius conundrum: the µHe+ lamb shift
Canadian Journal of Physics 89, 47-57 (2011)
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