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Elementarteilchen: Rätselhaftes Proton

Foto: PSI / M. Fischer

Labormessung Proton ist kleiner als gedacht

Physiker haben das Proton, einen der Grundbausteine von Materie, neu vermessen. Überraschendes Ergebnis: Der Radius ist kleiner als bisher angenommen. Womöglich muss sogar die Quantentheorie in einem Teilbereich korrigiert werden.

Hamburg - Mit diesem Ergebnis hatte kaum einer der beteiligten Wissenschaftler gerechnet. "Eigentlich wollten wir den bekannten Wert für den Protonenradius genauer messen", sagt Franz Kottmann vom Paul Scherrer Institut im schweizerischen Villigen. 0,8768 Femtometer - dies war der bisher akzeptierte Durchmesser eines Protons. Ein Femtometer entspricht 10-15 oder 0,000.000.000.000.001 Meter.

Das Experiment, über das ein internationales Physikerteam nun im Fachmagazin "Nature" berichtet , ergab jedoch einen Wert von 0,84184 Femtometer. Der Unterschied ist nach Angaben der Forscher zu groß, als dass man ihn auf Messungenauigkeiten zurückführen könnte. "Wir hätten nicht gedacht, dass es Diskrepanzen zwischen den bekannten Werten und unseren Messungen geben würde" erklärt Kottmann.

Das Ergebnis überraschte nicht nur, es könnte auch bisherige Modelle in Frage stellen. Entweder müsse die genaueste Theorie der Physik, die Quantentheorie der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie korrigiert werden, sagt Aldo Antognini, oder die am genauesten bestimmte Konstante der Physik - die Rydberg-Konstante. Mit dieser Konstante können die Spektrallinien von Atomen berechnet werden. "Wo der Fehler liegt, werden andere bestimmen müssen", erklärt der Physiker.

Exotische Atome

Für ihr Experiment haben die Forscher exotische Wasserstoffatome erzeugt, in denen ein Proton von einem negativ geladenen Myon umkreist wird und nicht von dem normalerweise vorhandenen Elektron. Myonen ähneln Elektronen, sind aber 200-mal schwerer.

Diesen Masseunterschied nutzten die Wissenschaftler aus: Die Bahn, auf der sich ein Myon um das Proton bewegt, hat einen 200-mal kleineren Radius als die Bahn eines Elektrons. Dadurch kommt das Myon dem Proton viel näher und spürt quasi dessen Ausdehnung. Mit einem eigens für das Experiment entwickelten Laser konnten die Forscher die Eigenschaften der Myonenbahn vermessen und daraus den Radius des Protons bestimmen.

Protonen gehören zu den fundamentalen Bestandteilen der Materie - zusammen mit den Neutronen bilden sie die Kerne der Atome. Um die Kerne kreisen wiederum die Elektronen. Aus diesen drei Teilchenarten besteht praktisch alles was uns umgibt. Das Wasserstoffatom ist das einfachste aller Atome. Sein Kern besteht aus einem einzelnen Proton, um das ein Elektron kreist.

Elektronen und Myonen sind nach derzeitigem Wissensstand punktförmig. Ein Proton besteht aus Quarks und hat daher eine räumliche Ausdehnung, die nun in experimentell neu bestimmt wurde.

Die Idee zur Vermessung von Wasserstoffatomen mit Myonen ist fast 40 Jahre alt. Damals fehlten jedoch die technischen Möglichkeiten, um es tatsächlich durchzuführen. "Für das Experiment mussten alle Geräte völlig neu entwickelt und gebaut werden", erklärt Kottmann. So habe es rund zehn Jahre vom Anfang des Experiments bis zu dem Ergebnis gedauert. Beteiligt waren neben den Schweizer Forschern auch Wissenschaftler aus München und Stuttgart.

hda
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