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Protonenradius verkleinert

Weitere Größenanpassung des Wasserstoffs vorgenommen

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Laserspektroskopie bei 5,8 Kelvin

Im Experiment wird dieser Übergang von einem Laser mit einer Wellenlänge von 486 nm angeregt und die beim Zerfall des 4P-Zustand entstehende Fluoreszenz wird als Signal detektiert. Der zuvor zur 1S-2S-Messung genutzte Apparat dient als Quelle für Wasserstoffatome im 2S-Zustand. Im Vergleich zu vorherigen Messungen, die bei Raumtemperatur arbeiteten, haben die spektroskopisch untersuchten Atome dadurch eine deutlich niedrigere Temperatur von 5,8 Kelvin und damit auch eine deutlich niedrigere Geschwindigkeit. Zusammen mit weiteren eigens entwickelten Techniken kann somit der Dopplereffekt, die größte Fehlerquelle für die Messung, stark unterdrückt werden.

„Eine weitere Fehlerquelle bei diesem Experiment ist die so genannte Quanteninterferenz“, erklärt Lothar Maisenbacher. „Könnten wir einen einzelnen, isolierten Übergang anregen, wäre die natürliche Form der Spektrallinie symmetrisch. Allerdings gibt es in unserem Fall zwei vom Laser angeregte obere Zustände, nämlich 4P1/2 und 4P3/2. Dadurch werden die Spektrallinien leicht asymmetrisch, und die Bestimmung der Linienmitte schwieriger. Der Effekt ist zwar sehr klein, spielt aber angesichts der erreichten Genauigkeit von fast einem Zehntausendstel der Linienbreite eine große Rolle.“

Um den Einfluss der Quanteninterferenz zu beschreiben, führen die Wissenschaftler detaillierte Simulationen durch, die sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. „In unserem Fall reicht aber auch schon eine speziell hierfür hergeleitete, einfache Fitfunktion, um den Effekt der Quanteninterferenz entfernen zu können“, betont Vitaly Andreev, ebenfalls Doktorand am Experiment. „Diese Fitfunktion benutzen wir auch zur Datenauswertung. Wir müssen hier nur noch in Form kleiner Korrekturen von der Größenordnung ~1 kHz auf die Simulation zurückgreifen.“

Damit schafft es das MPQ-Team die Frequenz des 2S-4P-Übergangs in Wasserstoff auf 2,3 kHz genau zu bestimmen. Dies entspricht einer relativen Messungenauigkeit von 4 x 10-12 und stellt die zweitgenaueste Spektroskopiemessung nach der zuvor genannten Messung des 1S-2S-Übergangs dar. Aus der Kombination dieser beiden Ergebnisse bestimmen sich die Werte für die Rydberg-Konstante und den Protonenradius zu R = 10973731.568076(96) m-1 und rp = 0.8335(95) fm.

„Unsere Messung ist fast so genau wie alle anderen bisherigen Experimente an regulärem Wasserstoff zusammengenommen“, resümiert Prof. Thomas Udem, Leiter des Projekts. „Wir erhalten eine gute Übereinstimmung mit den Werten für myonischen Wasserstoff, aber einen Unterschied von 3,3 Standardabweichungen zu den Wasserstoff-Weltdaten, sowohl für die Rydberg-Konstante als auch für den Protonenradius. Um die Ursachen für diese Diskrepanzen umfassend erklären zu können, benötigen wir weitere Messungen mit vielleicht noch höherer Genauigkeit. Denn man sollte nicht vergessen, dass viele neue Entdeckungen anfangs nur als Diskrepanz in Erscheinung traten.“

Originalpublikation: Axel Beyer, Lothar Maisenbacher, Arthur Matveev, Randolf Pohl, Ksenia Khabarova, Alexey Grinin, Tobias Lamour, Dylan C. Yost, Theodor W. Hänsch, Nikolai Kolachevsky, Thomas Udem; The Rydberg constant and proton size from atomic hydrogen; Science, 6 October 2017

* Dr. O. Meyer-Streng, Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 85748 Garching b. München

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