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Kleiner Messfehler beim Proton Elementarer Hochstapler – Proton ist wohl kleiner als gedacht

Quelle: Pressemitteilung

Protonen werden im Modellbild oft wie Billardkugeln dargestellt. Und tatsächlich lässt sich deren Größe über Kollisionsversuche wie bei einem Billardspiel berechnen. Ältere und neuere Messungen des Protonenradius unterscheiden sich allerdings um fünf Prozent. Nun sind Forscher aus Bonn und Darmstadt diesem Unterschied nachgegangen und haben die vermeintlich „wahre Größe“ des Protons bestätigt.

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Das Proton (rot) – hat einen Radius von 0,84 Femtometern (fm). In der Abbildung sind auch die drei Quarks dargestellt, aus denen sich das Proton zusammensetzt, sowie die Gluonen, die sie zusammenhalten.
Das Proton (rot) – hat einen Radius von 0,84 Femtometern (fm). In der Abbildung sind auch die drei Quarks dargestellt, aus denen sich das Proton zusammensetzt, sowie die Gluonen, die sie zusammenhalten.
(Bild: Dr. Yong-Hui Lin/Uni Bonn)

Bonn, Darmstadt – Der Stuhl, auf dem wir sitzen, die Luft, die wir atmen, die Sterne, die wir am Nachthimmel sehen: All das besteht aus Atomen, die sich wiederum aus Elektronen, Protonen und Neutronen zusammensetzen. Die negativ geladenen Elektronen haben nach heutigem Kenntnisstand keine Ausdehnung, sondern sind punktförmig. Anders ist es bei den positiv geladenen Protonen: ihren Radius haben Forscher in den 1990er Jahren experimentell auf 0,88 Femtometer bestimmt (also knapp ein Billiardstel Meter).

Vor einigen Jahren zeigte ein neuartiges Messverfahren jedoch, dass Protonen wohl kleiner sind: nämlich nur 0,84 Femtometer – ein winziger Unterschied, der in der Fachwelt jedoch für erhebliche Furore sorgte. Denn er ließ sich nicht so einfach erklären. Manche Experten hielten ihn sogar für einen Hinweis darauf, dass das Standardmodell der Teilchenphysik falsch sei und abgeändert werden müsse.

Physiker der Universität Bonn und der TU Darmstadt haben nun eine Methode entwickelt, mit der sie die Ergebnisse älterer und neuerer Experimente deutlich umfassender als bislang analysieren können. Damit ergibt sich auch aus den älteren Daten ein geringerer Protonenradius. „Unsere Analysen deuten darauf hin, dass der Unterschied zwischen den alten und neuen Messwerten gar nicht existiert“, sagt Prof. Dr. Ulf Meißner vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. „Stattdessen waren die älteren Werte mit einem systematischen Fehler behaftet, der bislang deutlich unterschätzt wurde.“

So misst man die Größe von Protonen

Um den Radius eines Protons zu bestimmen, kann man es in einem Beschleuniger mit einem Elektronenstrahl beschießen. Wenn ein Elektron auf das Proton stößt, ändern beide ihre Bewegungsrichtung – ähnlich wie bei der Kollision zweier Billardkugeln. In der Physik bezeichnet man diesen Vorgang als elastische Streuung. Je größer das Proton, desto häufiger kommt es zu solchen Kollisionen. Aus Art und Ausmaß der Streuung lässt sich daher seine Ausdehnung berechnen.

Je höher dabei die Geschwindigkeit des Elektronenstrahls, desto genauere Messungen sind möglich. Allerdings steigt damit auch die Gefahr, dass Elektron und Proton beim Zusammenstoß neue Teilchen bilden. „Bei hohen Geschwindigkeiten oder Energien geschieht das immer häufiger“, erklärt Meißner. „Die elastischen Streuungs-Ereignisse werden im Gegenzug seltener. Daher hat man für Messungen der Protonengröße bislang nur Beschleunigerdaten verwandt, bei denen die Elektronen eine relativ geringe Energie hatten.“

Im Prinzip liefern aber auch Kollisionen, bei denen andere Teilchen entstehen, wichtige Einblicke in die Form des Protons. Das gilt ebenso für ein weiteres Phänomen, das bei hohen Geschwindigkeiten des Elektronenstrahls auftritt – die so genannte Elektron-Positron-Vernichtung. „Wir haben eine theoretische Basis entwickelt, mit der sich auch solche Ereignisse für die Berechnung des Protonenradius nutzen lassen“, sagt Prof. Dr. Hans-Werner Hammer von der TU Darmstadt. „Dadurch können wir Daten berücksichtigen, die bislang außen vor bleiben.“

Die alten Messungen stimmen doch mit den neuen überein

Mit dieser Methode haben die Physiker die Messwerte aus älteren, aber auch ganz aktuellen Experimenten neu analysiert – inklusive denen, die bislang einen Wert von 0,88 Femtometern nahelegten. Mit ihrem Verfahren kamen die Forscher jedoch auf 0,84 Femtometer; das ist der Radius, der auch in neuen Messungen gefunden wurde, die auf einer ganz anderen Methodik basieren.

Das Proton scheint also tatsächlich rund fünf Prozent kleiner zu sein, als in den 1990er und 2000er Jahren angenommen wurde. Gleichzeitig erlaubt das Verfahren der Forscher auch neue Einblicke in die Feinstruktur von Protonen und ihrer ungeladenen Geschwister, der Neutronen. Es hilft Forschern also dabei, den Aufbau der Welt um uns herum etwas besser zu verstehen – des Stuhls, der Luft, aber auch der Sterne am Nachthimmel.

Originalpublikation: Yong-Hui Lin, Hans-Werner Hammer und Ulf-G. Meißner: New insights into the nucleon’s electromagnetic structure, Physical Review Letters, 128, Published 3 February 2022; DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.052002

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