Das Bild zeigt einen kleinen Teil der Penningfalle, die für die Präzisionsmessungen verwendet wird.

„Eine Ungenauigkeit in der elften Stelle nach dem Komma“

Vor etwa hundert Jahren beobachtete Ernest Rutherford, dass sich Atome aus einem Atomkern und einer Atomhülle zusammensetzen. Weitere Experimente zeigten, dass der Kern wiederum aus Neutronen und Protonen besteht. Welche Masse diese Bausteine der sichtbaren Materie besitzen, haben Physiker bereits oft nachgemessen. Nun legen Wissenschaftler einen neuen Wert für die Protonenmasse vor, der genauer ist als der bisherige Literaturwert – und von diesem abweicht. Welt der Physik sprach darüber mit Florian Köhler-Langes vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.

Welt der Physik: Wie lassen sich kleine Massen, wie die von Protonen, messen?

Florian Köhler-Langes
Florian Köhler-Langes

Florian Köhler-Langes: Generell bestimmt man Massen, indem man sie mit einer Standardmasse vergleicht. Kauft man Gemüse auf dem Wochenmarkt, wird es auf einer Balkenwaage mit Gewichtsstücken verglichen. Diese Gewichtsstücke sind wiederum auf das Urkilogramm geeicht, das vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht in Paris verwahrt wird. Auf atomarer Ebene vergleicht man Massen nicht mit dem Kilogramm, sondern mit einem Kohlenstoffatom. Dieses Atom entspricht zwölf atomaren Masseeinheiten und hat per Definition keine statistische Unsicherheit – genau wie das Urkilogramm.

Haben Sie in Ihrem Experiment die Masse des Protons mit der Masse des Kohlenstoffatoms verglichen?

Wir haben die Protonenmasse nicht mit einem Kohlenstoffatom verglichen, sondern mit einem Kohlenstoffkern. Dafür haben wir zunächst die sechs Elektronen des Kohlenstoffatoms – deren Massen und Bindungsenergien sehr gut bekannt sind – entfernt. Im nächsten Schritt haben wir dann die Massen von Kohlenstoffkern und Proton verglichen. Dazu nutzen wir allerdings keine klassische Waage, sondern messen die sogenannte Zyklotronfrequenz. Denn das Verhältnis der beiden Teilchenmassen entspricht dem Verhältnis ihrer Zyklotronfrequenzen. Es ist von großem Vorteil die beiden Zyklotronfrequenzen zu messen, da Frequenzen zu den genauesten Messgrößen in der Physik gehören.

Was ist die Zyklotronfrequenz?

Befindet sich ein geladenes Teilchen in einem homogenen und zeitlich konstanten Magnetfeld, bewegt es sich auf einer Kreisbahn mit einer festen Umlauffrequenz. Die charakteristische Frequenz dieser Kreisbewegung – die Zyklotronfrequenz – ist unter anderem von der Masse des Teilchens abhängig. In unserem Experiment bewegen sich der Kohlenstoffkern und das Proton in einer sogenannten Penning-Falle: In dieser Ionenfalle werden geladene Teilchen durch eine Kombination aus zeitlich konstanten elektrischen und magnetischen Feldern eingesperrt. Die Frequenzen der gleichmäßigen Teilchenbewegungen können wir messen, miteinander vergleichen und so letztlich die Protonenmasse bestimmen.

Das Bild zeigt den schematischen Aufbau des Penning-Fallenturms. In der Mitte befindet sich die Messfalle, an die links und rechts eine Speicherfalle grenzt. In der Messfalle befindet sich ein Kohlenstoffkern und links in der Speicherfalle ein Proton. Durch ein elektrisches und magnetisches Feld, werden die Teilchen in der Falle gehalten.
Aufbau des Penning-Fallenturms

Was ist das Besondere der von Ihnen genutzten Methode?

Wir haben eine neue Penning-Falle gebaut, die aus einer sehr präzisen Messfalle und zwei benachbarten Speicherfallen besteht. Die zwei Teilchen sind gleichzeitig in diesem sogenannten Penning-Fallenturm gefangen und wir können sie schnell abwechselnd in die Messfalle verschieben. So messen wir innerhalb von drei Minuten die Zyklotronfrequenzen der beiden Ionen. Auf diese Weise verkleinern wir den störenden Einfluss von Magnetfeldschwankungen. Um wirklich sicher zu gehen, dass wir die Teilchen jeweils im gleichen Magnetfeld untersuchen, müssen wir ihre Zyklotronfrequenz an der gleichen Position in der Messfalle bestimmen. Dafür benötigen wir allerdings zwei Nachweissysteme. Denn das Verhältnis von Ladung und Masse ist bei den beiden Teilchen sehr verschieden und somit auch ihre Zyklotronfrequenz. Es war sehr herausfordernd, die Nachweissysteme so präzise aufeinander abzustimmen. Nun ist es uns erstmals gelungen. Außerdem haben wir eine selbstentwickelte Methode zum Messen der Frequenz verwendet, die für unseren experimentellen Aufbau funktioniert.

Was haben die neuen Messungen ergeben?

Die von uns gemessene Protonenmasse hat eine Ungenauigkeit in der elften Stelle nach dem Komma. Sie ist damit dreimal genauer als der Literaturwert, der sich aus Messwerten vorangegangener Experimente ergibt. Veranschaulichen lässt sich diese Genauigkeit mit dem höchsten Gebäude der Welt, dem Burj Khalifa in Dubai. Würde man dieses Hochhaus wiegen und hätte die Waage unsere Präzision, könnte man durch Messen des Gewichts herausfinden, ob jemand eine Walnuss im Burj Khalifa vergessen hat. Unser Wert weicht allerdings deutlich vom Literaturwert ab. Das deutet darauf hin, dass höchstwahrscheinlich bei einem der vorangegangen Experimente oder bei unserem ein systematischer Fehler übersehen wurde.

Haben Sie Ihr Experiment auf solche Fehler überprüft?

Ja, wir haben sehr viele Konsistenzmessungen gemacht: Wir haben die Protonenmasse in unserem Aufbau mit einer etwas älteren Messmethode, die ungenauer ist, gemessen. Auch das Ergebnis weicht von dem Literaturwert ab. Außerdem haben wir die Masse von Sauerstoff mit unserer neuen Technik untersucht und auch diese Ergebnisse stimmen mit dem Literaturwert überein. In einem weiteren Test haben wir das bekannte Massenverhältnis des Kohlenstoffkerns und eines dreifach ionisierten Kohlenstoffatoms gemessen und konnten auch diesen Wert bestätigen. Wir haben somit keine Inkonsistenzen in unserem Experiment ausmachen können.

Das Bild zeigt die Penning-Falle die im Experiment verwendet wird.
Penning-Fallenturm

Welchen Einfluss hat der nun gemessene Wert auf andere Experimente oder Theorien?

Es gibt zwei wesentliche Experimente, bei denen die Protonenmasse eine zentrale Rolle spielt. Zum einen ist dies die Messung der sogenannten Rydberg-Konstante. Mit dieser Naturkonstante lassen sich die Energieniveaus von Atomen und Molekülen berechnen. Zum anderen wird die Protonenmasse bei einem sogenannten CPT-Test benötigt, bei dem das Verhältnis von Ladung und Masse bei Protonen und Antiprotonen miteinander verglichen wird. Zurzeit hat der neu gemessene Wert keinen großen Einfluss auf diese Experimente. Verbessert sich in den nächsten Jahren deren Präzision, wird unser Ergebnis aber einen Einfluss haben.

Was planen Sie für die Zukunft?

Wir wollen die Protonenmasse künftig nochmals mindestens sechsmal genauer bestimmen. Das wäre dann die genaueste atomar gemessene Masse überhaupt. Dafür müssen wir aber noch einiges an unserem Experiment weiterentwickeln. Dennoch gehen wir davon aus, die Masse im nächsten Jahr erneut genauer bestimmen zu können.