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Atomspektroskopie Exotische Atome enthüllen genaue Größe des Heliumkerns

Autor / Redakteur: Barbara Vonarburg* / Christian Lüttmann

Je besser man die Einzelteile kennt, desto besser versteht man das große Ganze. Deshalb ist es ein wichtiger Fortschritt, dass Teilchenphysiker nun die Größe des Heliumkerns fast fünfmal genauer bestimmt haben als bisher möglich war. Dies gelang ihnen durch Verwendung von „exotischen Atomen“.

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Künstlerische Darstellung der Messung des Radius des Heliumkerns
Künstlerische Darstellung der Messung des Radius des Heliumkerns
(Bild: Crema Collaboration)

Mainz, Villigen/Schweiz – Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element im Universum. Rund ein Viertel der Atomkerne, die in den ersten Minuten nach dem Urknall entstanden, waren Heliumkerne. Diese bestehen aus vier Bausteinen: zwei Protonen und zwei Neutronen. Für die Grundlagenphysik ist es entscheidend, die Eigenschaften des Heliumkerns zu kennen, unter anderem um die Vorgänge auch in anderen, schwereren Atomkernen zu verstehen.

Eine internationale Forschungskollaboration hat nun den Radius des Heliumkerns in neuen Experimenten mit nie dagewesener Genauigkeit gemessen. Solche Grundlegenden Eigenschaften zu erfassen, hilft Wissenschaftlern, auch andere Elemente besser zu verstehen.

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Den Forschern ist es gelungen, die Größe des Heliumkerns rund fünfmal genauer zu bestimmen, als dies in bisherigen Messungen möglich war. Danach beträgt der so genannte mittlere Ladungsradius des Heliumkerns 1,67824 Femtometer.

Exotische Atome für genauere Messung

Für ihre Messungen haben die Forscher keine gewöhnlichen Heliumkerne verwendet, bei denen zwei negativ geladene Elektronen den positiv geladenen Kern umkreisen. „Wir arbeiten mit exotischen Atomen, beziehungsweise Ionen, bei denen beide Elektronen durch ein einzelnes Myon ersetzt wurden“, erklärt Dr. Aldo Antognini, Physiker am Paul-Scherrer-Institut (PSI) und an der ETH Zürich. Das Myon gilt als schwerer Bruder des Elektrons: es gleicht ihm zwar, hat aber eine rund 200-mal höhere Masse. Ein Myon ist deshalb viel stärker an den Atomkern gebunden als ein Elektron und umkreist diesen in viel engeren Bahnen. Es kann sich – im Vergleich zu Elektronen – mit sehr viel höherer Wahrscheinlichkeit auch im Kern selbst aufhalten. „So können wir bei myonischem Helium Rückschlüsse auf die Struktur des Atomkerns ziehen und dessen Eigenschaften messen“, führt der Physiker aus.

Größte Produktion langsamer Myonen weltweit

Die Myonen werden am PSI mithilfe eines Teilchenbeschleunigers produziert. Die Spezialität der Anlage: Es werden Myonen mit niedriger Energie erzeugt. Diese Teilchen sind vergleichsweise langsam und lassen sich in den Apparaturen für Experimente stoppen. Nur so können die exotischen myonischen Heliumionen gebildet werden, bei denen ein Myon die Elektronen aus ihren Bahnen wirft und ersetzt. Schnelle Myonen würden dagegen durch die Apparatur hindurchfliegen.

Die Anlage am PSI liefert mehr niederenergetische Myonen als alle anderen vergleichbaren Anlagen weltweit. „Deshalb kann das Experiment mit dem myonischen Helium nur hier durchgeführt werden“, betont Dr. Franz Kottmann, der seit 40 Jahren die nötigen Vorstudien und technischen Entwicklungen für dieses Experiment vorangetrieben hat.

Erregte Myonen verraten Kerngröße

Die Myonen treffen auf eine kleine, mit Heliumgas gefüllte Kammer. Stimmen die Bedingungen, entsteht myonisches Helium, bei dem sich das Myon in einem Energiezustand befindet, in dem es sich häufig im Atomkern aufhält. „Nun kommt der zweite, wichtige Baustein für das Experiment zum Zuge: das Lasersystem“, erklärt Prof. Dr. Randolf Pohl von der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz. Das System schießt einen Laserpuls auf das myonische Heliumion. Hat das Laserlicht die richtige Frequenz, regt es das Myon an und befördert es in einen höheren Energiezustand, bei dem seine Bahn immer außerhalb des Kerns verläuft. Wenn es aus diesem in den Grundzustand „hinunterfällt“, sendet es Röntgenlicht aus. Detektoren registrieren diese Röntgensignale.

Im Experiment wird die Laserfrequenz so lange variiert, bis möglichst viele Röntgensignale eintreffen. Physiker sprechen dann von der Resonanzfrequenz. Mit ihrer Hilfe lässt sich die Differenz zwischen den zwei energetischen Zuständen des Myons im Atom bestimmen. Laut Theorie hängt dieser gemessene Energieunterschied davon ab, wie groß der Atomkern ist. Aus den theoretischen Gleichungen hat die Gruppe von Studienmitautor Pohl mithilfe der gemessenen Resonanzfrequenz den Radius des Heliumkerns berechnet.

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Das Protonenradius-Rätsel

Bereits im Jahr 2010 hatten die Forscher am PSI den Radius des Protons mithilfe der Energieübergänge von Myonen gemessen. Ihr Wert stimmte damals nicht mit demjenigen überein, den andere Messmethoden geliefert hatten. Man sprach vom Protonenradius-Rätsel und manche spekulierten, dass eine Neue Physik in Form einer bisher unbekannten Wechselwirkung zwischen dem Myon und dem Proton dahinterstecken könnte.

Bei den aktuell erhaltenen Messergebnissen von der Heliumkern-Größe gibt es keinen Widerspruch zwischen dem neuen, präziseren Wert und den Messungen mit anderen Methoden. „Damit wird die Erklärung der Ergebnisse mit Neuer Physik jenseits des bisherigen Standardmodells unwahrscheinlicher“, sagt Teilchenphysiker Dr. Franz Kottmann. Zudem näherte sich in den vergangenen Jahren der mit anderen Methoden bestimmte Wert des Protonenradius der präzisen Zahl des PSI. „Das Protonenradius-Rätsel existiert zwar noch, aber es verblasst langsam“, bilanziert der Forscher.

Ein Prüfstein für die Kernphysik

Der Radius des Heliumkerns dient als wichtiger Prüfstein für die Kernphysik. Damit lassen sich neue theoretische Modelle der Kernstruktur testen, um Atomkerne noch besser zu verstehen. Deshalb hilft es Wissenschaftlern, einen sehr genauen, verlässlichen Referenzwert zu haben, an dem sie die Aussagekraft ihrer Modelle und Theorien bewerten können.

Die Messungen an myonischem Helium können aber auch verglichen werden mit Experimenten mit normalen Heliumatomen und -ionen. An diesen lassen sich mit Lasersystemen ebenfalls Energieübergänge auslösen und messen – hier allerdings von Elektronen statt Myonen. Die Messungen an elektronischem Helium sind gerade im Gange. Vergleicht man später die Resultate beider Messungen, lassen sich Rückschlüsse auf fundamentale Naturkonstanten ziehen, wie die Rydberg-Konstante, die in der Quantenmechanik eine wichtige Rolle spielt.

Originalpublikation: Julian J. Krauth et al.: The alpha particle charge radius from laser spectroscopy of the muonic helium-4 ion Measuring the α-particle charge radius with muonic helium-4 ions, Nature, volume 589, pages 527–531, 27.01.2021; DOI: 10.1038/s41586-021-03183-1

* B. Vonarburg, ETH Zürich, 8092 Zürich/Schweiz

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