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Protonenradius verkleinert Weitere Größenanpassung des Wasserstoffs vorgenommen

| Autor/ Redakteur: Olivia Meyer-Streng* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Das Proton schrumpft weiter. Nachdem 2010 schon eine Anpassung vorgenommen wurde, haben nun Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik laserspektroskopische Messungen durchgeführt, die 3,3 Standardabweichungen unter den bisherigen Messungen liegt. Das Forscher-Team aus der Abteilung des Nobelpreisträgers Prof. Theodor W. Hänsch nahm diese Untersuchungen an regulärem Wasserstoff vor.

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Dieses Foto zeigt den Vakuumapparat, der zur Messung der 2S-4P-Übergangsfrequenz in atomarem Wasserstoff genutzt wurde. Das violette Leuchten im Hintergrund stammt aus der Mikrowellenentladung, die Wasserstoff-Moleküle in Wasserstoff-Atome dissoziiert. Das blaue Licht im Vordergrund ist Fluoreszenz vom ultravioletten Laser, der die Atome in den 2S-Zustand anregt. Das türkisfarbene Leuchten ist Streulicht von dem Lasersystem, das zur Frequenzmessung des 2S-4P-Übergangs dient.
Dieses Foto zeigt den Vakuumapparat, der zur Messung der 2S-4P-Übergangsfrequenz in atomarem Wasserstoff genutzt wurde. Das violette Leuchten im Hintergrund stammt aus der Mikrowellenentladung, die Wasserstoff-Moleküle in Wasserstoff-Atome dissoziiert. Das blaue Licht im Vordergrund ist Fluoreszenz vom ultravioletten Laser, der die Atome in den 2S-Zustand anregt. Das türkisfarbene Leuchten ist Streulicht von dem Lasersystem, das zur Frequenzmessung des 2S-4P-Übergangs dient.
(Bild: MPQ)

Garching – Es war eine der Sensationen des Jahres 2010: Laserspektroskopie an myonischem Wasserstoff ergab für den Ladungsradius des Protons einen Wert, der signifikant, nämlich um vier Standardabweichungen, kleiner war als der aus bisherigen Messungen an gewöhnlichem Wasserstoff ermittelte Wert. Seither wird über die Ursachen dieser Diskrepanz gerätselt, selbst Erweiterungen des so genannten Standardmodells der Physik sind im Gespräch. Doch nun hat ein Team aus der Abteilung Laserspektroskopie von Prof. Theodor W. Hänsch am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching eine neue spektroskopische Messung an gewöhnlichem Wasserstoff vorgenommen. Die daraus abgeleiteten Werte für die Rydbergkonstante und den Protonenradius stimmen sehr gut mit den Messungen an myonischem Wasserstoff überein, liegen aber 3,3 Standardabweichungen unter dem Mittel der bisherigen spektroskopischen Messungen an regulärem Wasserstoff.

Wasserstoff als Testobjekt für Naturgesetze

Wasserstoff ist das einfachste aller chemischen Elemente. Nach dem 1913 von Niels Bohr vorgeschlagenen Modell besteht es aus einem einzigen Proton und einem darum kreisenden Elektron. Für die Energieniveaus dieses Systems liefert die Quantenelektrodynamik Vorhersagen, die mittlerweile auf 12 Dezimalstellen genau sind. Wasserstoff spielt deshalb eine Schlüsselrolle für unser Verständnis von der Natur. Aus seiner Untersuchung lassen sich fundamentale Größen wie die Rydberg-Konstante und der Ladungsradius des Protons bestimmen.

Wasserstoff ist also das ideale Testobjekt, um die Naturgesetze zu überprüfen. Deshalb erregten 2010 Messungen an myonischem Wasserstoff, die einen unerwartet kleinen Protonenradius ergaben, höchste Aufmerksamkeit. Bei diesen am Paul Scherrer-Institut im schweizerischen Villigen realisierten Experimenten wird das Elektron im Wasserstoffatom durch sein Geschwisterteilchen, das 200-mal schwerere und kurzlebige Myon, ersetzt. Laserspektroskopie an diesem myonischem Wasserstoff ergab einen um 4 Prozent kleineren Protonenradius als frühere Messungen an gewöhnlichem Wasserstoff, und dies mit einer für eine Einzelmessung extrem hohen Genauigkeit. „Da das Myon 200-mal schwerer ist als das Elektron, kommt es dem Proton viel näher und ‚spürt‘ buchstäblich dessen Ausdehnung“, erklärt Prof. Randolf Pohl (jetzt Johannes Gutenberg-Universität Mainz), der von MPQ-Seite aus maßgeblich an der Messung beteiligt war. „Der Protonenradius hat deswegen einen um sieben Größenordnungen stärkeren Einfluss auf die Spektrallinien als in regulärem Wasserstoff. Daraus ergibt sich die hohe Präzision, mit der wir den Protonenradius bestimmen konnten.“

Messungen mit unterschiedlichen experimentellen Ansätzen durchgeführt

Die hohe Diskrepanz zwischen den Messungen an regulärem Wasserstoff und seiner exotischen Variante gab Anlass zu zahlreichen Debatten über die möglichen Ursachen. „Allerdings stimmen einige der bisherigen Messungen durchaus mit dem myonischen Wert überein. Denn der Einfluss des Protonenradius auf die Energieniveaus in regulärem Wasserstoff ist sehr klein und selbst mit sehr hoher Messpräzision kaum sichtbar. Die Diskrepanz wird erst dann signifikant, wenn alle Messungen gemittelt werden.“, erklärt Lothar Maisenbacher, Doktorand am Experiment. „Deshalb ist es für die Auflösung des ‚Proton-Rätsels‘ besonders wichtig, einzelne neue Messungen mit hoher Genauigkeit und, soweit möglich, anderen experimentellen Ansätzen durchzuführen.“

Um sowohl Rydberg-Konstante und als auch Protonenradius nur durch Spektroskopie an regulärem Wasserstoff zu bestimmen, müssen zwei verschiedene Übergangsfrequenzen gemessen werden. Als Eckpfeiler dient dabei die mit Abstand schärfste Resonanz, der so gennante 1S-2S-Übergang, dessen Frequenz vom MPQ-Team 2011 mit Laserspektroskopie auf 15 Dezimalstellen genau gemessen wurde. Diese hohe Genauigkeit wurde nicht zuletzt durch die Entwicklung des Frequenzkamms möglich, für den Prof. Hänsch 2005 den Physik-Nobelpreis erhielt. Als zweiten Übergang wählte das MPQ-Team den so genannten 2S-4P-Übergang, der vom metastabilen 2S-Zustand in den deutlich kurzlebigeren 4P-Zustand führt.

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