Optischer Aufbau durch den grünes Laserlicht geleitet wird.

Die Physik hat ein Kernproblem

Viele Rätsel können Physiker lösen, indem sie genauer und sorgfältiger messen. Doch Randolf Pohl und seine Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching haben mit ihren präzisen Messungen des Protonenradius ein Problem erst geschaffen. Denn ihr Wert weicht stark von dem bisher geltenden ab. Der Unterschied könnte auf Lücken in dem Bild deuten, das sich Physiker von der Materie machen.

Auf den wissenschaftlichen Konferenzen, die Randolf Pohl in den vergangenen drei Jahren besucht hat, ging es ziemlich hoch her. Und der Physiker des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik hat zu der lebendigen Stimmung einiges beigetragen. Denn die Fachgemeinde, die sich da versammelt, tüftelt gemeinsam an einem Rätsel, das Pohl und sein Team mit Messungen des Protonenradius gestellt hat.

Immer wieder präsentieren Redner mögliche Lösungen und begründen sie mit mathematisch formulierten Argumenten. Dabei ziehen sie auch schon mal Theorien in Zweifel, die seit Jahrzehnten als gesichert gelten. Andere Vortragende suchen nach Schwachstellen in den Ausführungen ihrer Kollegen und stellen eigene Rechnungen vor, mit denen sie deren Thesen widerlegen. Schließlich ziehen sich alle wieder zurück an ihre Schreibtische und in die Labore, um beim nächsten Treffen mit neuen spitzfindigen Überlegungen die Debatte anzuheizen.

Randolf Pohl justiert die Apperatur.
Randolf Pohl justiert die Apperatur

Mit einem internationalen Team haben die Physiker um Randolf Pohl im Jahr 2010 einen neuen Wert für den Ladungsradius des Protons, also des Kerns eines Wasserstoffatoms, veröffentlicht. Der Ladungsradius beschreibt den Raum, in dem sich die positive Ladung des Kerns konzentriert. Die Forscher bestimmten ihn mit einer anderen Methode als der bis dahin angewendeten und erhielten ein Ergebnis, das sehr deutlich von dem bis dato geltenden Wert abweicht. So deutlich, dass sich der Unterschied nicht mit den Messungenauigkeiten der beiden Methoden erklären lässt. Damit die Spannung nicht nachlässt, hat das Team sein Messergebnis kürzlich noch einmal präzisiert und damit klargemacht: Das Problem verschwindet mit noch genaueren Untersuchungen nicht.

Jahrelang dachten Randolf Pohl und seine Kollegen, ihr Messinstrument sei nicht genau genug: Schon im Jahr 2003 hatten sie erstmals ein Experiment vorgenommen, um die Größe eines Protons zu bestimmen. Doch das Signal, das ihnen darüber Aufschluss geben sollte, haben sie nicht entdeckt. „Das lag aber nicht an der Ungenauigkeit unserer Methode, sondern daran, dass wir nicht mit einer so großen Abweichung gerechnet hatten“, sagt der Physiker. So hatten die Forscher das Fenster für ihre Messungen zu klein gewählt.

Kein systematischer Fehler auszumachen

Den jüngsten Messungen des Teams zufolge liegt der Ladungsradius des Protons bei 0,84087 Femtometern – ein Femtometer ist der millionste Teil eines millionstel Millimeters –, die Messunsicherheit beträgt dabei gerade einmal plus oder minus 0,00039 Femtometer. Mit der bisher üblichen Messmethode ermittelten zwei unabhängige Gruppen vor Kurzem, dass der Ladungsradius bei 0,879 ± 0,009 Femtometern beziehungsweise 0,875 ± 0,011 Femtometern liegen müsse.

Der Unterschied zwischen den Messungen beträgt also 0,036 Femtometer oder vier Prozent. Das klingt wenig, ist aber im Rahmen der als „Unsicherheit“ angegebenen Messgenauigkeit sehr viel. Die Diskrepanz entspricht sieben kombinierten Fehlerbalken und ist damit deutlich größer, als man erwarten würde, wenn einfach nur verschiedene Experimente im Rahmen statistischer Fluktuationen geringfügig unterschiedliche Werte lieferte

Optischer Aufbau mit Spiegeln um das Laserlicht zu leiten.
Optischer Aufbau

Wie sehr die Ergebnisse und Unsicherheiten, die die beiden unterschiedlichen Messmethoden für den Protonenradius erhalten, voneinander abweichen, lässt sich veranschaulichen, wenn man sie auf eine Deutschlandkarte überträgt. Angenommen, man würde das Ergebnis von Randolf Pohls Team im Zentrum Münchens verorten und das der konkurrierenden Messung im Stadtkern Hamburgs. Dann entspräche die Unsicherheit des Münchner Wertes der Entfernung zwischen den beiden Münchner Stadtteilen Pasing und Trudering. Die Hamburger Messung wäre dagegen so ungenau, dass der tatsächliche Wert mit hoher Wahrscheinlichkeit auch irgendwo zwischen Flensburg und Hannover liegen könnte. Dass es da Probleme gibt, ist klar – die gäbe es ja auch, wenn man den Hamburger Michel auf einmal am Münchner Marienplatz suchen würde.

Um die große Differenz zwischen den beiden verschiedenen Messungen zu erklären, klopften Physiker zunächst die beiden Methoden auf systematische Fehler ab, die das Ergebnis verzerren könnten. „Es kann natürlich sein, dass uns ein solcher Fehler entgangen ist, aber wir haben sehr sorgfältig gesucht und nichts gefunden“, sagt Randolf Pohl, dessen Team vor gut 15 Jahren einen neuen Weg beschritt, den Protonenradius zu messen, und 2010 das erste Ergebnis dieser Arbeit publizierte.

Die Forscher bestimmten mittels Laserspektroskopie, wie hoch die Energie eines Photons sein muss, um ein exotisches Wasserstoffatom von einem speziellen Energiezustand in einen anderen zu befördern. Die Energie mancher dieser Zustände hängt vom Protonenradius ab, die anderer nicht. Wird das Atom von einem Zustand, der sich für den Protonenradius sensibel zeigt, in einen dafür unempfindlichen gebracht, lässt sich der Radius berechnen. Voraussetzung ist allerdings, dass Physiker alle anderen Effekte kennen, die die Lage der Zustände beeinflussen.

In gewöhnlichem Wasserstoff, in dem ein Elektron um das Proton schwirrt, ist der Einfluss des Protonenradius jedoch sehr klein, weil das leichte Elektron sich meistens weit weg vom Kern herumtreibt. In einer exotischen Variante des Elements, in dem ein Myon statt eines Elektrons um den Atomkern kreist, ist der Effekt dagegen deutlich größer.

Anordnung der einzelnen Teile des Experiments zueinander
Schema des Experiments

Myonischen Wasserstoff erzeugen Physiker am Paul Scherrer Institut im Schweizer Villigen, wo sie den weltweit stärksten Myonenstrahl nutzen können. Die Myonen entstehen, wenn in einem Teilchenbeschleuniger Protonen auf eine Kohlenstoffscheibe geschossen werden. Mit magnetischen Feldern lenken die Forscher die Myonen in einen Topf mit Wasserstoffgas, das die exotischen Elementarteilchen stoppt. Einige Myonen werden von Wasserstoffmolekülen eingefangen, verdrängen deren Elektronen und bilden myonische Wasserstoffatome.

Nun müssen sich die Physiker mit ihren Laserexperimenten, die ihnen die Energien der Zustände verraten, beeilen. Denn der myonische Wasserstoff befindet sich nur eine Mikrosekunde lang in dem Zustand, den sie für ihre Experimente brauchen. Doch die Eile lohnt sich: Myonischer Wasserstoff empfiehlt sich für die Vermessung des Protons ebenso wie für manch andere Experimente, weil ein Myon wie ein Elektron eine negative Ladung trägt, aber rund zweihundertmal so schwer ist.

Wegen seiner höheren Masse hält sich das Myon dichter am Kern auf und reagiert daher empfindlicher auf den Protonenradius als ein herkömmliches Elektron. So wird es möglich, den Ladungsradius sehr genau zu bestimmen – genauer jedenfalls, als es die bisherigen Experimente erlaubten, die den Protonenradius bei ungefähr 0,88 Femtometern sehen: die Spektroskopie an normalem Wasserstoff und Messungen der Elektronenstreuung. Bei Letzterer schießen Wissenschaftler Elektronen auf Wasserstoffkerne und beobachten, wie sie an den Protonen abgelenkt werden.

Experimente mit Myonen

Für die Messungen am myonischen Wasserstoff spricht, dass sie mehr als zehnmal genauer sind als die Ergebnisse der Spektroskopie von normalem Wasserstoff und der Elektronenstreuung. Und je präziser eine Messung ist, als desto zuverlässiger gilt sie. Zudem haben Physiker inzwischen einige der möglichen systematischen Fehler der Experimente mit myonischem Wasserstoff diskutiert – und ausgeschlossen. So hatten manche Zweifler spekuliert, ob Pohls Team vielleicht negativ geladene myonische Wasserstoffionen, die ein Myon und ein Elektron enthalten, oder Moleküle aus zwei Protonen und einem Myon in den Blick genommen haben, ohne es zu wissen. Dieser Vermutung haben Physiker aus Paris mit Berechnungen inzwischen allerdings die Basis entzogen: Selbst wenn die beiden exotischen Gebilde entstehen, bleiben sie nicht lange genug stabil, um untersucht werden zu können.

Vergleich der verschiedenen Messungen für den Protonenradius mit unterschiedlich großen Fehlerbalken.
Messungen des Protonenradius

Mittlerweile hat das Team vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik durch die Spektroskopie an myonischem Wasserstoff nicht nur den Ladungsradius des Protons gemessen, sondern auch den magnetischen Radius. Der magnetische Radius gibt an, in welchem Bereich die Magnetisierung verteilt ist. Diese ergibt sich durch den Spin des Protons. Elektrischer und magnetischer Radius müssen nicht unbedingt gleich groß sein. Denn während der Ladungsradius den Raum beschreibt, in dem sich die Ladung aufhält, kann man sich den magnetischen Radius als die Region vorstellen, in der die Kreisströme fließen, die einem Proton sein magnetisches Moment geben.

Für den magnetischen Radius erhalten die Forscher nun 0,87 ± 0,06 Femtometer. Dieser Wert ist derzeit noch so ungenau, dass die beiden kontroversen Werte des Ladungsradius zu ihm passen. „Wichtig ist, dass wir über die Spektroskopie an myonischem Wasserstoff überhaupt den magnetischen Radius ermittelt haben“, sagt Randolf Pohl. „Spannend wird es, wenn wir die Genauigkeit künftig steigern.“ Erst dann können die Forscher nämlich entscheiden, ob ihre Methode auch für den magnetischen Radius einen anderen Wert liefert als die Elektronenstreuung.

Einstweilen sorgt der magnetische Radius jedenfalls nicht für große Aufregung – anders als der Ladungsradius. Auch bei dem hätte es kein Problem gegeben, wenn die neuen Messungen den von ungenaueren Experimenten vorgegebenen Bereich des Ladungsradius weiter eingegrenzt hätten. Dass sie den Radius aber in einem ganz anderen Bereich verorten, wirft grundsätzliche Fragen auf.

Besondere Würze bekommt die Geschichte, weil die widersprüchlichen Messungen auf grundsätzliche Verständnislücken bei den Atomen des Wasserstoffs hinweisen könnten. Das ist pikant, weil Quantenphysiker den Wasserstoff von allen Elementen am besten kennen. Da er nur aus einem Proton und einem Elektron besteht, ist es sogar das Atom, das sie mathematisch am besten beschreiben können. In anderen Atomen mit mehr Elektronen müssen sie sich mit Näherungen behelfen. So wird der Wasserstoff zum Testfall für ihre Theorien, und deshalb tragen viele Gruppen weltweit auch einen fortwährenden Wettstreit aus, wer das Atom mit noch präziseren Messungen immer genauer charakterisieren kann. Nicht aus sportlichem Ehrgeiz, sondern weil sie dabei immer wieder grundsätzliche Entdeckungen gemacht haben – zum Beispiel die Quantenelektrodynamik, kurz QED.

Raum für unbekannte Physik

Die QED beschreibt, wie Materie, also etwa Atome, mit Licht wechselwirken, und gilt als ausgesprochen gut belegt. Und doch schien es zunächst so, als könnten die neuen genaueren Messungen des Protonenradius an dieser Theorie rütteln. Das Rätsel der voneinander abweichenden Protonenradien in elektronischem und myonischem Wasserstoff ließe sich nämlich aufklären, wenn die QED einen Effekt vernachlässigt, der sich in myonischem Wasserstoff viel stärker auf die Energiezustände auswirkt als in elektronischem. „Dieser Effekt müsste aber sehr groß sein“, sagt Randolf Pohl. „Und es ist äußerst unwahrscheinlich, dass ein so großer Effekt bislang übersehen wurde.“

Aufbau des Experiments im Labor
Aufbau des Experiments

Auch wenn ein Mangel der QED inzwischen fast vom Tisch ist, hoffen Randolf Pohl und seine Kollegen, dass ihre Messungen auf bislang unbekannte physikalische Zusammenhänge hinweisen. Und für solche Erklärungen bleibt reichlich Raum. So hinterfragten einige Kernphysiker die Vorstellung, wie sich die Ladung im Proton verteilt. Bislang nahmen die Modelle an, dass die Ladung an der Grenze des Protons in etwa exponentiell abnimmt. Was aber, wenn sie langsamer abnimmt? Oder irgendwo einen Höcker hat? Legitime Fragen, die aber nicht zur Lösung des Protonenrätsels führten. Denn Experimente mit gestreuten Elektronen charakterisieren die Ladungsverteilung sehr zuverlässig – und bestätigten die etablierte Annahme eines ungefähr exponentiellen Abfalls.

In eine ähnliche Richtung geht ein Vorschlag, der derzeit recht hoch gehandelt wird. „Möglicherweise wird das Proton anders polarisiert als bislang angenommen, wenn es die negative elektrische Ladung des Myons sieht“, sagt Randolf Pohl: Die elektrische Ladung verzerrt die Ladungswolke des Protons, und zwar umso stärker, je schwerer das ziehende Teilchen ist. Das berücksichtigen die Physiker, wenn sie aus ihren laserspektroskopischen Untersuchungen den Protonenradius berechnen. Erfassen die entsprechenden Formeln die Polarisierung bislang nicht richtig, macht sich das vor allem in myonischem Wasserstoff bemerkbar. „Am spannendsten wäre es aber, wenn unser Ergebnis auf Physik jenseits des Standardmodells hinweisen würde“, sagt Randolf Pohl.

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt alle Elementarteilchen und die meisten Kräfte zwischen ihnen. Die meisten Beobachtungen erfasst es sehr gut, es hat aber auch Schwächen. So erklärt es die Gravitation nicht. Und es liefert auch keine Antwort auf die Frage nach der Dunklen Materie , die bislang noch nicht identifiziert wurde.

Versuche mit myonischen Atomen

Bei der Suche nach dem mysteriösen Stoff kann das geschrumpfte Proton zwar nicht direkt helfen, es könnte aber generell dazu beitragen, das Standardmodell zu erweitern: „Es ist denkbar, dass ein bislang unbekanntes Teilchen dafür sorgt, dass das Myon stärker an das Proton gebunden ist, als wir annehmen“, sagt Randolf Pohl. Das Myon tummelt sich dann näher am Kern als angenommen. Wenn die Physiker das Teilchen jedoch nicht kennen und nicht wissen, dass es das Myon näher zum Kern zwingt, erscheint ihnen das Proton des myonischen Wasserstoffs kleiner als dasjenige des elektronischen. So reizvoll Pohl die Vorstellung findet, eine Tür zur Welt hinter dem Standardmodell gefunden zu haben, so bleibt er doch realistisch: „Das ist nicht sehr wahrscheinlich“, sagt der Forscher.

Optischer Aufbau, aus Spiegeln, der als Lichtfarbenwandler dient.
Wandler der Lichfarbe

Während theoretische Physiker mögliche Erklärungen formulieren, bleiben auch die Experimentatoren nicht untätig. „Ob unsere Messung stimmt, lässt sich mit einer genaueren Bestimmung der Rydberg-Konstante überprüfen“, erklärt Pohl. Diese Konstante verwenden Physiker, um die verschiedenen Energieniveaus von Atomen und Molekülen zu berechnen. Liegen Randolf Pohl und seine Kollegen mit dem kleineren Protonenradius richtig, verändert sich auch diese – und vielleicht noch einige andere Naturkonstanten. Dabei ist keine zweite Naturkonstante so exakt bekannt wie die Rydberg-Konstante. Könnte man sie an elektronischem Wasserstoff noch präziser bestimmen, ließe sich das Ergebnis der Protonenmessung deshalb indirekt überprüfen. Daran arbeiten einige Forscher weltweit, darunter auch eine Gruppe des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik.

Unterdessen setzen Randolf Pohl und sein Team auch ihre Versuche mit myonischen Atomen am Paul Scherrer Institut fort. In Kürze werden die Forscher myonische Heliumionen spektroskopieren. Zum einen können sie hier noch einmal testen, ob die Modelle der QED tatsächlich vollständig sind. „Dafür eignet sich Helium besser, weil schwächere Effekte der QED bei schwereren Kernen leichter zu beobachten sind“, erklärt Pohl. Zum anderen lassen sich die Messungen an myonischem Helium besser mit den Ergebnissen der Elektronenstreuung vergleichen. „Für Helium sind die Daten der Elektronenstreuung genauer“, so der Physiker.

Auch ein neues Elementarteilchen müsste sich in myonischem Helium bemerkbar machen. Dann müsste sich beim Helium ebenfalls eine Diskrepanz zwischen den beiden verschiedenen Vermessungen von dessen Atomkernen ergeben. Andernfalls schließt sich die Tür zur Physik jenseits des Standardmodells wieder, bevor sie sich überhaupt richtig geöffnet hat. 

 

 

Titelbild der zweiten Ausgabe 2013

Der Artikel erschien im Magazin „MaxPlanckForschung“, das über die wissenschaftliche Arbeit an den Instituten der Max-Planck-Gesellschaft berichtet.