2010 berichteten Physiker in Deutschland, dass sie die Größe des Protons, des positiv geladenen Bausteins von Atomkernen, außerordentlich genau gemessen hatten. Das Ergebnis war sehr verwirrend.
Randolf Pohl vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Mitarbeiter hatten das Proton mit speziellen Wasserstoffatomen gemessen, bei denen das Elektron, das normalerweise das Proton umkreist, durch ein Myon ersetzt wurde, ein Teilchen, das identisch mit dem Elektron ist, aber 207-mal schwerer. Pohls Team fand heraus, dass die Protonen im Myon-Orbit einen Radius von 0, 84 Femtometern haben - 4 Prozent kleiner als die in regulärem Wasserstoff, laut dem Durchschnitt von mehr als zwei Dutzend früheren Messungen.
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Wenn die Diskrepanz real wäre, was bedeutet, dass Protonen in Gegenwart von Myonen tatsächlich schrumpfen, würde dies unbekannte physikalische Wechselwirkungen zwischen Protonen und Myonen implizieren - eine grundlegende Entdeckung. In den letzten Jahren wurden Hunderte von Artikeln verfasst, in denen über die Möglichkeit spekuliert wurde.
Die Hoffnung, dass das „Protonenradius-Rätsel“die Teilchenphysik auf den Kopf stellen und neue Naturgesetze aufdecken würde, wurde nun durch eine neue Messung zunichte gemacht, die am 6. September in Science veröffentlicht wurde.
Nach dem myonischen Wasserstoff-Ergebnis von Pohl vor neun Jahren machte sich ein Team von Physikern unter der Leitung von Eric Hessels von der York University in Toronto daran, das Proton in regelmäßigem, „elektronischem“Wasserstoff zu messen. Die Ergebnisse sind: Hessels und sein Unternehmen haben den Radius des Protons auf 0, 833 Femtometer festgelegt, geben oder nehmen 0, 01, eine Messung, die exakt mit Pohls Wert übereinstimmt. Beide Messungen sind präziser als frühere Versuche und legen nahe, dass sich die Größe des Protons je nach Kontext nicht ändert. Vielmehr waren die alten Messungen mit elektronischem Wasserstoff falsch.
Pohl, der zum ersten Mal auf einem Workshop im Sommer 2018 von Hessels 'vorläufigem Ergebnis hörte, nannte es „ein fantastisches Ergebnis“, wenn auch eines, das „auf die profanste Erklärung“des Protonenradius-Puzzles verweist.
In ähnlicher Weise freuten sich Hessels und seine Kollegen sehr darüber, dass ihre Messung "mit der sehr genauen Messung in muonischem Wasserstoff übereinstimmte", auch wenn das Ergebnis etwas bittersüß ist. "Wir wissen, dass wir noch nicht alle Gesetze der Physik verstehen", sagte er, "also müssen wir all diese Dinge jagen, die uns Hinweise geben könnten."
Der Radius des Protons war nicht trivial zu jagen. Um seinen Wert abzuleiten, mussten Hessels und seine Kollegen die Lamb-Verschiebung messen: den Unterschied zwischen dem ersten und dem zweiten angeregten Energieniveau von Wasserstoff, die als 2S- und 2P-Zustände bezeichnet werden. Hessels sagte, dass er die Lammverschiebung messen wollte, seit er in den 1980er Jahren ein Student war, aber das Protonenradius-Puzzle gab ihm schließlich den Anstoß, dies zu tun. "Es ist eine äußerst schwierige Messung", sagte er. "Ich brauchte einen guten Grund."
Die Lamb-Verschiebung, benannt nach dem amerikanischen Physiker Willis Lamb, der 1947 erstmals versuchte, sie zu messen, zeigt den Radius des Protons auf folgende Weise: Wenn ein Elektron das Proton im 2S-Zustand umkreist, verbringt es einen Teil seiner Zeit im Inneren des Protons (Dies ist eine Konstellation von Elementarteilchen, genannt Quarks und Gluonen, mit viel leerem Raum). Befindet sich das Elektron im Proton, zieht die Ladung des Protons das Elektron in entgegengesetzte Richtungen und hebt es teilweise auf. Infolgedessen verringert sich die elektrische Anziehungskraft zwischen den beiden und die Energie, die das Atom zusammenhält. Je größer das Proton ist, desto mehr Zeit verbringt das Elektron im Inneren, desto weniger stark ist das Elektron gebunden und desto leichter kann es wegspringen.
Durch das Abfeuern eines Lasers in eine Wasserstoffgaswolke ließen Hessels und sein Team Elektronen vom 2S-Zustand in den 2P-Zustand springen, in dem das Elektron das Proton niemals überlappt. Die Bestimmung der Energie, die das Elektron benötigt, um diesen Sprung auszuführen, ergab, wie schwach gebunden es im 2S-Zustand war, als es sich teilweise im Proton befand. Dies zeigte direkt die Größe des Protons.
Pohl folgte der gleichen Logik, um den Protonenradius aus der Lamb-Verschiebung von myonischem Wasserstoff im Jahr 2010 abzuleiten. Da Myonen jedoch schwerer sind, drängen sie sich im 2S-Zustand enger um Protonen als Elektronen. Dies bedeutet, dass sie mehr Zeit im Proton verbringen, wodurch die Verschiebung des Lamms in myonischem Wasserstoff mehrere Millionen Mal empfindlicher für den Radius des Protons ist als in normalem Wasserstoff.
Im letzteren Fall musste Hessels die Energiedifferenz zwischen 2S und 2P millionengenau messen, um einen genauen Wert für den Radius des Protons abzuleiten.
