Proton Das Proton ist kleiner als gedacht

Internationales Forscherteam ermittelt unerwartet kleinen Protonenradius mittels hochpräziser Spektroskopie von exotischem Wasserstoff.

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Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Garching – Das Proton, einer der fundamentalen Bausteine der Materie, ist noch kleiner als bisher angenommen. Dies ergaben Messungen, die jetzt ein internationales Forscherteam unter maßgeblicher Beteiligung von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching bei München, der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) und des Instituts für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart am Paul-Scherrer-Institut (PSI) im schweizerischen Villigen durchgeführt hat.

Noch rätseln die Wissenschaftler, wie diese Diskrepanz zu deuten ist. Letztendlich könnte das Ergebnis sogar die Gültigkeit der fundamentalen Theorie der Wechselwirkung von Licht und Materie in Frage stellen, die bis heute jeder Überprüfung standgehalten hat; sie könnte aber auch eine Änderung der bislang am genauesten bekannten Naturkonstanten implizieren. Für die neue Messung erzeugten die Wissenschaftler eine exotische Variante von Wasserstoff, bei der statt eines Elektrons ein negativ geladenes Myon den Atomkern, das Proton, umkreist. Da das Myon rund 200 Mal schwerer als das Elektron ist, kommt es dem Proton viel näher und „spürt“ buchstäblich dessen Ausdehnung. Mit einem speziell dafür entwickelten Laser und einer neuen, vom PSI entwickelten Myonenquelle vermochten die Physiker diesen Effekt quantitativ zu bestimmen und den Protonenradius daraus mit höchster Präzision zu ermitteln.

Das Proton, einer der fundamentalen Bausteine der Materie

Das Proton ist einer der drei Grundbausteine der Materie: zusammen mit dem Neutron baut es den Atomkern auf, der von Elektronen umkreist wird. Chemische Elemente definieren sich über die Zahl der Protonen im Atomkern. Wasserstoff ist das einfachste aller chemischen Elemente. Sein Atomkern besteht aus einem einzigen Proton, das von einem Elektron umkreist wird. Viele grundlegende Fragen der Physik ließen sich in der Vergangenheit durch eine Bestimmung der Eigenschaften von Wasserstoff beantworten. Während Elektronen und Myonen allem Anschein nach punktförmig sind, besteht das Proton aus Quarks und ist daher ausgedehnt.

Originalveröffentlichung:

Randolf Pohl, Aldo Antognini, François Nez, Fernando D. Amaro, François Biraben, João M. R. Cardoso, Daniel S. Covita, Andreas Dax, Satish Dhawan, Luis M. P. Fernandes, Adolf Giesen, Thomas Graf, Theodor W. Hänsch, Paul Indelicato, Lucile Julien, Cheng-Yang Kao, Paul Knowles, José A. M. Lopes, Eric-Olivier Le Bigot, Yi-Wei Liu, Livia Ludhova, Cristina M. B. Monteiro, Françoise Mulhauser, Tobias Nebel, Paul Rabinowitz, Joaquim M. F. dos Santos, Lukas A. Schaller, Karsten Schuhmann, Catherine Schwob, David Taqqu, João F. C. A. Veloso & Franz Kottmann

„The size of the proton“, Nature, Doi:10.1038/nature09250, 8 July 2010

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