Standardmodell der Teilchenphysik Fundamentale Quantentheorie auf 13 Nachkommastellen überprüft

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Forschenden sind Experimente an Wasserstoffatomen gelungen, mit denen sich das Standardmodell der Teilchenphysik auf 13 Nachkommastellen genau überprüfen lässt. Zudem lösen die Versuche u.a. das sogenannte Protonenradius-Rätsel.

Forschenden am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ), Garching, sind mit Beteiligung von Prof. Dr. Randolf Pohl vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) Experimente an Wasserstoffatomen gelungen, mit denen sich das Standardmodell der Teilchenphysik auf 13 Nachkommastellen genau überprüfen lässt. Bezüglich Messungen an Wasserstoffatomen ist das das bislang exakteste Ergebnis. Damit konnten die Forschenden theoretische Vorhersagen im Wasserstoff überprüfen und u.a. das sogenannte Protonenradius-Rätsel lösen. Dieses bestand schon länger, seit Messungen an zweierlei Arten Wasserstoff auf unterschiedliche Protonenradien hingedeutet hatten.

Neuer Maßstab bei der Vermessung der Energieniveaus des Wasserstoffatoms

Das Standardmodell der Teilchenphysik fasst die Physik auf kleinster Skala in einem Modell aus Teilchen und Kräften zusammen. Ein wesentlicher Bestandteil davon ist die Quantenelekrodynamik (QED). Sie beschreibt, wie Licht und Materie grundlegend miteinander interagieren. „Weil Wasserstoff relativ simpel ist und sich also sehr gut berechnen lässt, konnten wir damit die QED und somit das Standardmodell testen“, sagt Pohl.

Für den Test analysierten die Wissenschaftler mit hochpräziser Laserspektroskopie die energetische Struktur des Wasserstoffs. Sie untersuchten zwei verschiedene Energieniveaus und bestimmten deren Übergangsfrequenz, bzw. die nötige Energie, um von einem Niveau ins andere zu gelangen. Die gemessene Übergangsfrequenz bestätigt das Standardmodell mit einer Abweichung von weniger als einem Trillionstel (0,7 Teilen pro Trillion). Mit dieser Präzision haben die Forschenden einen neuen Maßstab hinsichtlich der Vermessung der Energieniveaus des Wasserstoffatoms gesetzt. „Die Messung ist genauso gut wie der Goldstandard zur Bestätigung des Standardmodells, der durch das anomale magnetische Moment des Elektrons erreicht wird“, sagt Pohl.

Dank der hohen Präzision bestätigen die Messungen Vorhersagen des Standardmodells, die nie zuvor in gewöhnlichem Wasserstoff bestätigt werden konnten. „Wir können sehr kleine, äußerst interessante Beiträge sehen, die aus der Interaktion mit komplexeren Teilchen, sogenannten Hadronen, stammen“, sagt Dr. Lothar Maisenbacher vom MPQ und Erstautor der Studie. „In den Beiträgen zur Übergangsfrequenz sehen wir erstmals Myonen im elektronischen Wasserstoff. In der Theorie erzeugen Myonen-Antimyonen-Teilchenpaare einen Beitrag zu der Vakuumpolarisation, die für die Präzision unserer Messung relevant ist“, sagt Dr. Vitaly Wirthl, ebenfalls vom MPQ und Zweitautor.

Die Auflösung einer alten Unstimmigkeit

Neben den Tests an Standardmodell und QED nutzten die Wissenschaftler die Übergangsfrequenz u.a., um den Protonenradius von gewöhnlichem und myonischem Wasserstoff zu bestimmen. Früher durchgeführte Messungen hatten auf eine Unstimmigkeit beim Vergleich des Protonenradius der beiden Wasserstoffarten hingedeutet. Myonischer Wasserstoff besitzt anstelle eines Elektrons ein Myon. Dieses Elementarteilchen ist dem Elektron ähnlich: Es trägt dieselbe Ladung, ist aber mehr als 200-mal schwerer und besitzt nur eine Lebensdauer von zwei Mikrosekunden. Durch die aktuellen Messdaten kann die Diskrepanz bei den beiden Wasserstoffarten erstmals signifikant ausgeschlossen werden. Der Protonenradius liegt bei beiden bei 0,8406 Femtometern. Unklar ist allerdings weiterhin, wie sich die früher gemessene Unstimmigkeit erklären lässt.

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Mainzer Expertise

Federführend bei den aktuellen Experimenten war das MPQ. Randolf Pohl hatte von 2005 bis zu seiner Berufung nach Mainz im Jahr 2017 dort gearbeitet. Die Experimente wurden ab 2011 vorbereitet, final gemessen wurde im Jahr 2019. Danach werteten die Forscher die Daten aus und quantifizierten eine große Anzahl potenzieller Störeffekte. Randolf Pohl ist Mitglied des Exzellenzclusters PRISMA++ und des Sonderforschungsbereichs „Hadronen und Kerne als Entdeckungsinstrumente“ der JGU. Seine Arbeitsgruppe forscht an gewöhnlichem und myonischem Wasserstoff und arbeitet derzeit an einer Apparatur, mit der sie Tritium vermessen kann, also Wasserstoff mit zwei zusätzlichen Neutronen im Atomkern.

Originalpublikation: L. Maisenbacher et al., Sub-part-per-trillion test of the Standard Model with atomic hydrogen, Nature, 11. Februar 2026, DOI: 10.1038/s41586-026-10124-3, https://doi.org/10.1038/s41586-026-10124-3

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