Wie groß ist das Proton?

Garching/Villigen (Schweiz) – Extrem genaue Messungen an exotischen Wasserstoffatomen liefern einen kleineren Wert für den Radius des Protons als Messungen an gewöhnlichem Wasserstoff. Die Diskrepanz sei siebenmal größer als der Messfehler, berichtet ein internationales Forscherteam im Fachblatt „Science“. Bislang gibt es keine Erklärung für dieses Problem, auf das bereits ähnliche Messungen desselben Teams vor knapp drei Jahren hingewiesen hatten. Der Effekt deute möglicherweise auf eine neue Physik jenseits des derzeitigen Standardmodells, so die Forscher.

Messapparatur in einem dunklen Raum, von der grünes Laserlicht ausgeht.
Experiment mit Laserstrahlen

Der sogenannte Ladungsradius des Protons beträgt 0,8409 Femtometer – das ist das Ergebnis der Experimente am Paul Scherrer Institut im schweizerischen Villigen, die Aldo Antognini vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und seinen Kollegen durchgeführt hatten. Der derzeit allgemein akzeptierte Wert ist mit 0,8775 Femtometern deutlich größer. Ein Femtometer ist der millionste Teil eines Millionstel Millimeters. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Abweichung durch Messfehler zustande kommt, ist nach Angaben der Forscher etwa eins zu vier Milliarden.

Der bisherige Wert basiert hauptsächlich auf laserspektroskopischen Untersuchungen von Wasserstoff. Wasserstoff ist das am einfachsten aufgebaute Element: Seine Atome bestehen jeweils aus einem Proton, das von einem Elektron umkreist wird. Das Elektron kann dabei nur bestimmte Energiezustände einnehmen, die wiederum geringfügig vom Radius des Protons abhängen. Messungen der Übergänge zwischen den Energieniveaus ermöglichen daher eine Bestimmung der Größe des Protons.

Um zu noch genaueren Ergebnissen zu kommen, haben Antognini und seine Kollegen das Elektron durch ein Myon ersetzt. Myonen sind Elementarteilchen, die dem Elektron ähneln, aber zweihundertmal schwerer sind. Durch die größere Masse bewegt sich das Myon näher am Proton als das Elektron und reagiert deshalb stärker auf dessen Größe. Im Gegensatz zu ihren ersten, 2010 veröffentlichten Messungen haben die Forscher das Verfahren noch einmal verbessert. Sie messen nun zwei unterschiedliche Übergänge im myonischen Wasserstoff und erreichen dadurch nahezu eine Verdopplung der Genauigkeit.

Die Frage ist nun, ob die gefundene Diskrepanz ihre Ursache in systematischen experimentellen Fehlern hat, oder ob vielleicht die Grundlagen der Quantenelektrodynamik, eines der Grundpfeiler des Standardmodells der Physik, infrage gestellt werden müssen. Eine Antwort darauf können nur weitere Experimente liefern. So plant die Forschergruppe bereits dieses Jahr Versuche mit myonischem Helium.