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Lasserspektroskopie klärt auf

Wie groß ist ein Deuteron?

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Womöglich muss physikalische Konstante angepasst werden

„Sollte sich tatsächlich herausstellen, dass die Wasserstoffspektroskopie einen falschen – also minimal verschobenen – Wert liefert, so würde das bedeuten, dass die Rydbergkonstante minimal geändert werden muss“, erklärt Antognini. Die Rydbergkonstante und der Protonradius sind zwei stark aneinander gekoppelte Größen. Auch ist die Rydbergkonstante unter allen physikalischen Konstanten diejenige, die bislang mit der höchsten Genauigkeit bestimmt wurde: Selbst ihre elfte Nachkommastelle ist schon bekannt. Dennoch könnte sich dank des Rätsels um den Protonradius an diesen letzten Stellen hinter dem Komma noch etwas ändern. Das hätte für viele Bereiche der Physik Konsequenzen und würde zu minimalen Korrekturen weiterer Naturkonstanten führen.

Weltweit leistungsstärkste Myonenquelle nötig

Am PSI bestimmten die Forschenden die Größe des Deuterons, indem sie zunächst künstliche Atome herstellten: myonisches Deuterium. Diese Atome haben als Kern ein Deuteron, das von einem Myon umkreist wird. Die Myonenquelle des PSI ist die weltweit leistungsstärkste ihrer Art. Dank dieser war es möglich, rund 300 Myonen pro Sekunde in die Experimentierkammer zu schleusen. Dort trafen sie auf gasförmiges Deuterium, schleuderten dessen Elektronen heraus und nahmen deren Platz ein. Das Ergebnis waren Atome von myonischem Deuterium.

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Myonen sind negativ geladene Elementarteilchen, sie ähneln Elektronen stark, sind jedoch rund 200 Mal schwerer als diese. Durch diese höhere Masse bewegen sich die Myonen viel näher am Atomkern und die Eigenschaften ihrer Bahnen hängen viel stärker von der Größe dieses Kerns ab.

Dies nutzten die Forschenden aus: Mit einem hochkomplexen gepulsten Lasersystem, das eigens für dieses Experiment entwickelt worden war, regten sie das Myon im künstlichen Atomverbund an. Die Wellenlänge des Lasers ließ sich stufenlos variieren. Bei der exakt richtigen Wellenlänge wurde das Myon von einem energetischen Zustand in einen anderen gehoben; von dort aus fiel es sofort wieder in einen niedrigeren Zustand, wobei es ein Lichtteilchen im Röntgenbereich aussandte. Diejenige eingestrahlte Wellenlänge, bei der ein Maximum an Röntgen-Lichtteilchen erzeugt wurde, markierte den energetischen Abstand der betreffenden Myonenbahnen um den Kern. Dieser energetische Abstand hängt stark mit dem Radius des Deuterons zusammen; die Forschenden konnten also anhand ihrer Messkurve die Größe des Deuterons bestimmen. Ganz analog hatten sie bei der Studie aus dem Jahr 2010 die Größe des Protons gemessen.

Originalpublikation:Laser spectroscopy of muonic deuterium; R. Pohl, F. Nez, L.M.P. Fernandes, F.D. Amaro, F. Biraben, J.M.R. Cardoso, D.S. Covita, A. Dax, S. Dhawan, M.Diepold, A. Giesen, A.L. Gouvea, T. Graf, T.W. Hänsch, P. Indelicato, L. Julien, P. Knowles, F. Kottmann, E.-O. Le Bigot, Y.-W. Liu, J.A.M. Lopes, L. Ludhova, C.M.B. Monteiro, F. Mulhauser, T. Nebel, P. Rabinowitz, J.M.F. dos Santos, L.A. Schaller, K. Schuhmann, C. Schwob, D. Taqqu, J.F.C.A. Veloso, A. Antognini, Science 12 August 2016: Vol. 353, no. 6300, page 669

* L. Hennemann, Paul Scherrer Institut PSI, 5232 Villigen/Schweiz

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