Das Proton ist kleiner als angenommen

Neue Messungen mit bislang unerreichter Präzision ergeben, dass die Maße eines Protons nicht mit der Theorie übereinstimmen - dies dürfte die grundlegende Rydberg-Konstante verändern und erfordert Neuberechnungen in der Quantenelektrodynamik

Bestimmung des Protonenradius
Bestimmung des Protonenradius

Garching - Dass Realitäten eine bewährte Theorie über den Haufen werfen, gehört seit Galileos Zeiten zur Geschichte der Physik. Jetzt macht es eine neue Messung Garchinger Forscher nötig, eine eigentlich sehr genau bekannte Fundamentalkonstante der Physik zu korrigieren - und zahlreiche Rechnungen der Quantenphysik müssen überprüft werden. Infrage steht die grundlegende Theorie der Wechselwirkung von Materie und Licht. Die Messung ergab, dass das Proton, ein Grundbaustein der Atome, kleiner ist als bisher angenommen. Der Unterschied beträgt zwar nur 35 Milliardstel eines Millionstel Millimeters - doch für Physiker und ihre Beschreibung der realen Welt hat das die Wirkung eines Erdbebens. Vierzig Jahre, nachdem die Messmethode erstmals diskutiert worden war, hat ein internationales Team rund um die Garchinger Forscher sie nun durchführen können. Die zuvor nie erreichte Präzision wirft neue Rätsel auf, die Details finden sich im Fachblatt "Nature".

"Das Proton ist der grundlegende Baustein des sichtbaren Universums, doch viele seiner Eigenschaften - wie sein Ladungsradius und sein anormales magnetisches Moment - sind nicht gut verstanden", schreibt das Team um Randolf Pohl vom Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching. Beteiligt waren auch Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), der Universität Stuttgart und des Schweizer Paul-Scherrer-Instituts (PSI) sowie Kollegen aus Österreich, Frankreich, Portugal, Taiwan und den USA. Bestätigtes Ergebnis des Experiments: Ein Proton, das Zentrum eines Wasserstoffatoms, misst statt 0,8768 Femtometern (Millionstel eines Millionstel Millimeters) nur 0,8418 Femtometer. Schon 2003 hatte das Team um Pohl ein solches Experiment begonnen, konnte aber das Mess-Signal nicht finden, weil das Messfenster zu klein gewählt war. "Das lag aber nicht an der Genauigkeit unserer Methode, sondern daran, dass wir nicht mit einer so großen Abweichung gerechnet haben", erklärt Pohl. Das aktuelle Ergebnis mit weiter verfeinerter Methode kann nun offenbar allen Zweifeln standhalten. Es liegt um rund das Fünffache außerhalb der bislang angenommenen Fehlergrenzen.

Ziel war, den so genannten Ladungsradius des Protons möglichst exakt zu bestimmen, jenen Radius, den die Ladung eines Wasserstoffkerns einnimmt. Ein einfaches Wasserstoff-Atom ist das schlichteste Untersuchungsobjekt, da sein Kern nur aus einem einzigen Proton besteht und von einem Elektron umkreist wird. Alle schwereren Elementen enthalten neben mehreren der positiv geladenen Protonen auch ungeladene Neutronen im Kern, der von mehr als einem Elektron umkreist wird. Um die Messung zu vereinfachen, griffen die Forscher zu einem Trick: zu so genanntem myonischen Wasserstoff, einer Variante, in der statt des Elektrons ein Myon kreist, mit identischer negativer Ladung, aber einer 200 Mal größeren Masse. Dieses kommt dem Atomkern viel näher und kann dessen räumliche Ausdehnung, den Ladungsradius, quasi "spüren". "Genauer gesagt bewirkt die Ausdehnung des Protons eine Änderung der sogenannten Lamb-Verschiebung der Energieniveaus im myonischen Wasserstoff", fasst Pohl die komplizierte Messung zusammen, "daher konnten wir den Protonenradius über die Messung der Lamb-Verschiebung ermitteln."

Notwendig waren eine neuartige, am PSI entwickelte Myonenquelle, ein präzise in der Wellenlänge einstellbarer Laser sowie eine Messapparatur, deren Detektoren den Wechsel von Myonen zwischen unterschiedlichen Orbitalschalen aufzeichneten. Der monatelangen Aufbau- und Justierungsphase folgten drei Wochen Messung am Stück, bis das Spektrum einen deutlichen Peak aufwies. Dessen Auswertung führte zu dem zehnmal genaueren Wert für den Protonenradius, der nun die Quantentheorie vor eine Herausforderung stellt.

Vor allem infrage steht die so genannte Rydberg-Konstante, die von allen Naturkonstanten bislang als die am genauesten bestimmte galt. "Sie ist wie ein Fels in der Brandung", so Pohl. Und auch andere Theorien der Quantenelektrodynamik und ihre Vorhersagen für die Praxis sind jetzt mit dem neuen Protonenradius nachzurechnen. Möglicherweise ist die Theorie ganz neu zu fassen. Doch das Forscherteam rechnet eher mit einer bislang unerkannten Unsauberkeit in den Rechnungen, meint Pohl: "Ich gehe davon aus, dass bei der Rechnung irgendwo ein Fehler gemacht wurde, weil die Theorie der Quantenelektrodynamik sehr konsistent und gut belegt ist". Derweil wollen die Praktiker ihre Apparatur so umbauen, dass sie auch den Ladungsradius eines Heliumkerns messen können - mit je zwei Protonen, Neutronen und Elektronen.