Wie klein ist ein Proton tatsächlich?

Größenmessung im Mikrokosmos Wie klein ist ein Proton tatsächlich?

30.05.2023 Quelle: Pressemitteilung Paul Scherrer Institut/Benjamin A. Senn Lesedauer: 2 min

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Ein Proton ist nicht nur extrem klein, es ist auch weniger rund, als man es aus vielen Visualisierungen kennt – schließlich besteht ein Proton wiederum aus kleineren Elementarteilchen. Um die Größe des Protons möglichst exakt zu bestimmen, erschaffen Forscher am PSI künstliche Atome. Ihr Experiment erklären sie in einem animierten Video.

Wie groß ist ein Proton? Die wohl präziseste Antwort liefern Experimente am Paul-Scherrer-Institut.
(Bild: Paul Scherrer Institut)

Zusammen mit den Neutronen bilden die Protonen den Atomkern, um welchen die Elektronen kreisen. Häufig werden in Visualisierungen die Protonen als kleine rote Bällchen dargestellt. Allerdings wird mit dieser Vereinfachung oft vergessen, dass es sich beim Proton, im Gegensatz zum punktförmigen Elektron, keineswegs um ein Elementarteilchen handelt, sondern dass dieses wiederum aus noch viel kleineren Teilchen zusammengesetzt ist – den so genannten Quarks und Gluonen. Diese Teilchen geben dem Proton seine positive Ladung und seine Struktur. Die räumliche Verteilung der Teilchen gibt dem Proton seine Größe, und diese Größe gilt es zu bestimmen.

Das Proton (rot) – hat einen Radius von 0,84 Femtometern (fm). In der Abbildung sind auch die drei Quarks dargestellt, aus denen sich das Proton zusammensetzt, sowie die Gluonen, die sie zusammenhalten. (Dr. Yong-Hui Lin/Uni Bonn)

Für dieses Unterfangen haben Forscher am Paul-Scherrer-Institut (PSI) so genannten myonischen Wasserstoff hergestellt – ein künstliches Atom, das aus nur einem Proton im Atomkern besteht, welches von einem negativ geladenen Myon umkreist wird. Das PSI ist weltweit der einzige Forschungsstandort, an dem genügend niederenergetische Myonen für solche Experimente erzeugt werden können.

Die am genauesten gemessene Naturkonstante

Die genaue Vermessung des Protonenradius hilft, die Struktur des Protons besser zu verstehen und ist zugleich die Basis zur Bestimmung der so genannten Rydberg-Konstante – die am genausten gemessene fundamentale Konstante in der Physik. Diese Konstante steckt in den SI-Einheiten, dem Internationalen Einheitensystem, in dem unter anderem das Kilogramm, der Meter oder die Sekunde definiert sind. Sie ist zudem ein wichtiger Pfeiler im Theorie-Gebäude der Physik. Je genauer der Protonenradius gemessen werden kann, desto genauer kann die Rydberg-Konstante bestimmt und desto genauer können Modelle von einfachen Atomen oder Molekularsystemen berechnet werden.

Die Erde bringt rund sechs Trilliarden Tonnen auf die Waage – oder anders ausgedrückt: sechs Ronnagramm. „Ronna“ ist eines von vier neuen Präfixen, die auf der 27. Generalkonferenz für Maße und Gewichte in Frankreich festgelegt wurde. (Bild: gemeinfrei, PIRO4D)

Wie die Forscher den Protonenradius in ihrem Experiment mit hoher Präzision messen, erklären sie in der folgenden Animation auf dem Youtube-Kanal des Paul-Scherrer-Instituts. Dort wird auch aufgelöst, wir groß das Proton ist:

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