D. Lenz
Neue Messungen zeigen, dass der Protonenradius um vier bis fünf Prozent kleiner ist als bisher angenommen. Wissenschaftler gehen nun davon aus, dass auch die Rydberg-Konstante neu bestimmt werden muss.
Garching (Deutschland). Für die Wissenschaft ist es von entscheidender Bedeutung die korrekte Masse und den genauen Durchmesser eines Protons zu kennen. Zusammen mit den Neutronen bilden die Protonen den Atomkern. Es ist somit ein fundamentaler Baustein aller Materie. Außerdem sind auch Naturkonstanten wie die Rydberg-Konstante vom Proton abhängig. Die Rydberg-Konstante wird in der Wissenschaft verwendet, um Spektrallinien den entsprechenden Elementen zuzuordnen.
Die nun abweichenden Messwerte bei der Größe des Protons haben somit große Auswirkungen auf viele Bereich der Wissenschaft. Auch andere Messungen in den letzten Jahren kamen zu dem Ergebnis, dass der offizielle Wert nicht richtig sein kann. Im Jahr 2010 wurde eine Proton-Myon-Verbindung mithilfe der Laserspektroskopie untersucht. Der gemessene Protonenradius lag auch bei dieser Messung rund 4 Prozent unter dem offiziellen akzeptierten Standard von 0,8768 Femtometern.
Der Projektleiter der Messung im Jahr 2010 Randolf Pohl von der Universität Mainz erklärte dazu: "Weil das Myon 200-mal schwerer ist als das Elektron, kommt es dem Proton viel näher und spürt buchstäblich dessen Ausdehnung. Daraus ergibt sich die hohe Präzision, mit der wir den Protonenradius bestimmen konnten." Eine andere Messung aus dem Jahr 2016 bestätigte die Ergebnisse des Teams rund um Pohl. Anschließend ergab eine erneute Messung im Jahr 2017 auch Abweichung der Masse vom Standardwert.
Um eine Änderung des Standardwertes zu veranlassen, war es nötig die Ergebnisse der drei vorherigen Messungen zu verifizieren. Ein Team rund vom Axel Beyer vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching hat die dafür notwendige Messung durchgeführt. Der Protonenradius wurde dazu am normalen Wasserstoffatom gemessen, also ohne Austausch des Elektrons durch das Myon, dass die vorherigen Messungen eventuell verfälscht hat.
Die Forscher analysierten bei der Messung die Spektrallinien von zwei Energieübergängen des Wasserstoffatoms. Die doppelte Messung ist nötig um absolut verlässliche Ergebnisse zu erhalten. Beyer und sein Team analysierten dazu den 2S-4P-Übergang. Sie bestrahlten dazu ein Wasserstoffatom das nur eine Temperatur knapp über den absoluten Nullpunkt hatte. Durch den Laser mit 468 Nanometer Wellenlänge werden die Atome in das angeregte 4P Niveau versetzt. Wenn sie dann in 2S-Zustand zurückfallen kann aufgrund der ausgesendeten Photonen auf die Protonengröße rückgeschlossen werden. Die Ergebnisse des Experiments hat das Team im renommierten Magazin Science publiziert.
Die Kombination der beiden Messungen ergab, dass das Proton vermutlich kleiner ist als der aktuelle Standardwert. Die Wissenschaftler bestätigten die Messungen der anderen Forschungsgruppen. Auch sie gehen von einem Wert aus, der vier bis fünf Prozent geringer ist. Sie gehen von einem Radius von 0,8335 Femtometer statt wie bisher 0,8768 Femtometer aus. Projektleiter Thomas Udem vom MPQ erklärte, dass "das einem Unterschied von 3,3 Standardabweichungen zu den Wasserstoff-Weltdaten entspricht. Unsere Messung ist fast so genau wie alle anderen bisherigen Experimente an regulärem Wasserstoff zusammengenommen."
Das Team hat insgesamt drei Jahre damit verbracht, die Messwerte zu analysieren. Messfehler und Verfälschungen sind aber nie hundertprozentig auszuschließen. Insgesamt deuten aber alle Experimente daraufhin, dass das Proton kleiner ist als bisher angenommen. Um ganz sicher zu gehen sind laut den Physikern aber weitere Messreihen nötig.
Das Committee on Data for Science and Technology (CODATA) hat sich trotzdem schon zu den Ergebnissen geäußert. Das offizielle Gremium legt die Standardwerte für physikalische Konstanten fest. Krzysztof Pachucki sagte, dass "sie dieses Ergebnis sehr ernst nehmen werden." Eine offizielle Änderung des Protonenradius und der Rydberg-Konstante ist damit nach der nächstes Revision im Jahr 2018 sehr wahrscheinlich.
