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Freitag, 9. Juli 2010

Vermessen: Wasserstoff-Proton ist kleiner als bislang gedacht

Archiv: Aufbau eines Wasserstoffatoms (Illu.) | Copyright: grewi.de

Garching/ Deutschland - Ein internationales Team aus Wissenschaftlern hat den Ladungsradius neu vermessen eines Wasserstoffkerns und ist dabei auf physikalische Rätsel gestoßen. Unter anderem stellten die Forscher fest, dass das Wasserstoffproton kleiner ist als bislang gedacht - eine Einsicht, die erhebliche physikalische Probleme mit sich bringt. Mindestens eine Naturkonstante könnte ins Wanken geraten.

Genau gesagt handelt es sich um eine Differenz von gerade einmal 0,0350 Millionstel eines Millionstel Millimeters, den die Tatsächliche Größe eines Protons, also dem Kern eines Wasserstoffatoms, kleiner ist als bislang angenommen. Statt 0,8768 Femtometer misst es nämlich nur 0,8418 Femtometer.

Die Messungen der Physiker des "Max-Planck-Instituts für Quantenoptik" in Experimenten am Schweizer "Paul-Scherrer-Institut " bescheren der Physik damit einige grundlegende Probleme: Mindestens eine Naturkonstante ändert sich nun. Physiker müssen aber auch die Rechnungen der Quantenelektrodynamik überprüfen. Diese Theorie gilt als sehr gut belegt, ihre Vorhersagen stimmen aber nicht mit den aktuellen Messungen überein, legen die Forscher in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins "Nature" dar.

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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 Genauigkeit unserer Methode, sondern daran, dass wir nicht mit einer so großen Abweichung gerechnet haben", so Pohl.

Bei dem auf weniger als einen Tausendstel Femtometer genau gemessenen Ladungsradius des Protons handelt es sich um den Radius, den die Ladung des positiven Wasserstoffkerns einnimmt. Zu diesem Zweck haben die Forscher winzige Feinheiten im atomaren Aufbau untersucht, und zwar in "myonischem Wasserstoff", in dem nicht ein Elektron, sondern ein schwereres Myon um den Kern saust. Das neue Ergebnis (0,8418 Femtometer) liegt um das Fünffache außerhalb der Fehlergrenzen, mit denen Physiker die bisherigen Messungen für den Protonenradius versehen hatten.

Auch wenn die Abweichung nach alltäglichen Maßstäben vernachlässigbar erscheint, hat sie möglicherweise gravierende Folgen. Welche, können die Forscher jedoch noch nicht gänzlich absehen. "Fest steht, dass sich damit die Rydberg-Konstante ändert" berichtet die "Max-Planck-Gesellschaft" in ihrer Pressemitteilung. "Mit ihrer Hilfe berechnen Quantenphysiker, welche Energiepäckchen Atome und Moleküle aufnehmen und abgeben, wenn sie ihre Zustände ändern. Diese Energiepäckchen entsprechen den Spektrallinien der Elemente. Die Berechnungen für die Spektrallinien verschieben sich nun merklich und passen nicht mehr zum experimentellen Befund."

"Da man die Rydberg-Konstante von allen Natur-Konstanten bislang am genauesten bestimmt hat, ist sie wie ein Fels in der Brandung", erläutert Randolf Pohl. Wenn Physiker ein selbstkonsistentes Bild aller Naturkonstanten zeichnen, können sich die anderen Naturkonstanten wie etwa das Planck’sche Wirkungsquantum oder die Masse des Elektrons nur um die Rydberg-Konstante herum bewegen. Dass der Fels nun leicht verrückt wurde, dürfte die anderen Naturkonstanten aber kaum beeindrucken: Sie sind bislang ganz so genau bestimmt wie die Rydberg-Konstante, sodass sie den Ruck wahrscheinlich gar nicht merken. Der Test dafür steht jedoch noch aus.

"Auch mit weitergehenden Konsequenzen müssen wir sehr vorsichtig sein", so Pohl. Allerdings rechnen viele Theoretiker weltweit nun die Vorhersagen der Quantenelektrodynamik mit dem neuen Protonenradius nach.

Diese Quantentheorie beschreibt, wie sich Atome, Elektronen, Elementarteilchen und andere Akteure in der Welt des Allerkleinsten bewegen und welche elektromagnetischen Felder dabei entstehen. Sie liefert im Vergleich mit den experimentellen Daten auch einen Wert für den Protonenradius - der liegt aber deutlich über dem nun gemessenen. "Ich gehe davon aus, dass bei der Rechnung irgendwo ein Fehler gemacht wurde, weil die Theorie der Quantenelektrodynamik sehr konsistent und gut belegt ist", sagt Pohl. Wenn nicht, würde der leicht verschobene Protonenradius jedoch ein physikalisches Erdbeben auslösen, das zumindest mit beträchtlichen Verwerfungen in dieser Theorie endete.

Während Theoretiker jetzt also dem Rätsel um den falschen Protonenradius ihrer Modelle nachspüren, überprüfen die Garchinger Forscher und ihre Kollegen das neue Messergebnis mit weiteren Untersuchungen am Wasserstoffatom. Außerdem wollen sie ihre Apparatur so umbauen, dass sie auch den Ladungsradius des Heliumkerns messen können. Diese Untersuchungen sollen ihnen auch etwas darüber verraten, wie Atomkerne verzerrt werden, wenn sie mit einer negativen Ladung wechselwirken. So wollen die Physiker Schritt für Schritt den exakten Aufbau der Materie enthüllen - und hoffen natürlich, auf weitere physikalische Rätsel zu stoßen.

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Quellen: grenzwissenschaft-aktuell.de / mpg.de
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