Das rätselhafte Protonen-Paradoxon

25. August 2016, 11:00
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Das Proton ist eines der gewöhnlichsten Teilchen überhaupt. Doch je nachdem, wie es gemessen wird, hat es eine andere Größe

Garching/Wien – Es gibt bekanntlich eine Vielzahl exotischer Teilchen im Universum. Das Strange-Quark zum Beispiel, das Beauty-Quark – besser bekannt unter dem weniger poetischen Namen Bottom-Quark – oder der Promi unter den Teilchen: Higgs. Doch es gibt auch gewöhnlichere, und als absoluten Normalo im Teilchenzoo könnte man das Proton bezeichnen. Neben Neutron und Elektron gehört es zu den Bestandteilen von Atomen und ist damit ein zentraler Baustein dessen, was wir als Materie kennen.

Trotz seiner fundamentalen Rolle ist längst nicht alles über das Proton bekannt – das beginnt bei einer banal erscheinenden Eigenschaft: seiner Größe. Wie man in den vergangenen Jahren herausfand, ist der Radius des Protons ein anderer, je nachdem mit welcher Methode man ihn misst. Warum das so ist, ist eine der großen ungelösten Fragen der Physik.

Antike Atome

Doch fangen wir beim Anfang an, und der reicht bei der Teilchenphysik bis in die Antike zurück. Frühe Atomisten bezeichneten die Bausteine der Materie als "Atome" – der Begriff wurde vom griechischen "atomos" (unteilbar) hergeleitet. Dass Atome doch nicht so unteilbar sind, wurde im 19. Jahrhundert entdeckt. Man fand heraus, dass sie einen kleinen Kern besitzen, der, aus Protonen und Neutronen bestehend, den Großteil der Masse konzentriert. Dieser wird von negativ geladenen Elektronen umgegeben.

Wie sich einige Dekaden später herausstellte, setzen sich auch die Protonen und Neutronen selbst wiederum aus noch kleineren Einheiten zusammen, den Quarks. Das Proton ist aus zwei Up- und einem Down-Quark aufgebaut. Und es ist nicht gesagt, dass wiederum die Quarks nicht aus noch kleineren Teilchen bestehen, die bisher unentdeckt geblieben sind.

Die drei Quarks des Protons werden durch sogenannte Gluonen zusammengehalten. Aus dieser Konstellation den Radius des Protons zu berechnen ist derart komplex, dass es mathematisch keine exakte Lösung gibt. Will man also wissen, wie groß das Proton ist, bleibt einem nichts anderes übrig, als zu messen.

Die naheliegendste Methode, die Größe des Protons zu bestimmen, basiert auf der Messung von Elektronen. Etwa kann man Protonen mit Elektronen beschießen und aus der Streuung der Elektronen den Radius der Protonen bestimmen. Eine Hochpräzisionsmessung von Jan Bernauer lieferte 2010 den Wert 0,877 Femtometer, wobei die Vorsilbe Femto- für Billiardstelmeter steht.

Der "fette Cousin" des Elektrons

In den 1970er-Jahren kam die Idee auf, statt Elektronen andere Elementarteilchen für die Messung der Größe des Protons heranzuziehen: Myonen. Diese haben beinahe dieselben Eigenschaften wie Elektronen, nur sind sie 200-mal schwerer, weswegen sie schon mal "fette Cousins" des Elektrons genannt werden. Der Vorteil dabei ist, dass Myonen wegen ihrer großen Masse viel näher am Proton sind und die Energieniveaus sehr viel empfindlicher auf dessen Größe reagieren – nämlich zehn Millionen Mal. Doch sie haben einen Nachteil: eine sehr kurze Lebensdauer im Bereich von Millionstelsekunden.

An dieser Stelle kommt Randolf Pohl ins Spiel. Seine Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik im deutschen Garching zählt heute zu den führenden Spezialisten auf diesem Gebiet. Als er 1997, von München kommend, seine Dissertationsstelle an der ETH Zürich antrat, dachte er bereits darüber nach, wie Protonen mit Myonen in einem sogenannten Spektroskopieexperiment genauer vermessen werden können. "Wir benötigten Myonen im angeregten Zustand mit einer relativ langen Lebensdauer, um sie mit einem Laser beschießen zu können", sagt Pohl. Eine lange Lebensdauer bedeutet in der Teilchenphysik: eine Mikrosekunde.

In seiner Dissertation fand Pohl dafür eine Lösung. 1999 starteten die Experimente. Bis die ersten erfolgreichen Messungen klappten, dauerte es allerdings bis 2009, "denn wir haben jahrelang an der falschen Stelle gesucht, weil wir von einem größeren Protonenradius ausgegangen sind", sagt Pohl. Als bereits die Einstellung des Experiments mangels Erfolgen und ergo Fördermitteln drohte, fanden Pohl und Kollegen das Proton bei einem Radius von 0,8409 Femtometern plus oder minus 0,0004 Femtometer. Damit waren die Resultate zwar zehnmal genauer als die bisherigen Messungen – lagen aber um vier Prozent daneben.

"Völlig irre"

Hat er erwartet, einen anderen Radius zu messen, als zuvor alle anderen Experimente ergeben haben? Pohl: "Nein, das wäre völlig irre gewesen, zu glauben, wir knacken das Standardmodell der Teilchenphysik, und alles ist falsch, wir finden etwas anderes."

Zunächst hat Pohl seinen eigenen Experimenten misstraut. Er dachte, dass der Laser optimiert werden müsste. Und so baute seine Gruppe einen besseren. Um derartige Messungen durchzuführen, müssen am Paul-Scherrer-Institut (Mitglied des ETH-Bereichs) Bestrahlungszeiten am Beschleuniger beantragt werden – wenn überhaupt, bekommt man diese einmal im Jahr bewilligt. Wenn dann das Experiment nicht klappt oder man an einer falschen Stelle misst, ist wieder Warten angesagt.

Mittlerweile ist klar, dass jede Verbesserung in Pohls Aufbau seine bisherigen Ergebnisse bestätigt. Die Physik steht damit vor einem Paradoxon: Je nachdem, ob man das Proton mit Elektronen oder Myonen misst, ergibt sich ein anderer Radius. Kürzlich haben Pohl und sein Team mit einem weiteren Paper sogar noch eins draufgesetzt. Sie haben das Deuteron mit Myonen vermessen – es handelt sich dabei um den Atomkern des Deuteriums, eines Wasserstoffatoms mit einem zusätzlichen Neutron. Dabei kamen sie ebenfalls auf einen kleineren Radius, als die bisherige Lehrmeinung besagt.

Jenseits des Standardmodells

Die wohl sensationellste Erklärung, um das Puzzle zu lösen, wäre jene, dass das Standardmodell der Teilchenphysik, das den aktuellen Wissensstand des Gebiets zusammenfasst, unvollständig ist. Es könnte eine noch unbekannte physikalische Kraft existieren, die durch ein neues Teilchen vermittelt wird, das hauptsächlich an Protonen und Myonen koppelt. Könnte sich Pohl eine Erklärung wünschen, wäre es diese: "Davon träume ich natürlich, das wäre das Tollste überhaupt, wenn wir ein neues Teilchen gefunden haben."

Eine andere Erklärung, die das Standardmodell nicht umstoßen würde, wäre folgende: Das Proton verhält sich anders als bei Elektronen, wenn ein Myon "an ihm zieht". "Das wäre interessant, weil das Proton sich anders verhalten würde, als erwartet", sagt Pohl.

Eine weitere Erklärung sei "rational naheliegender", meint Pohl: Möglicherweise muss die sogenannte Rydberg-Konstante korrigiert werden. Diese Naturkonstante wurde vom schwedischen Physiker Johannes Rydberg eingeführt, um atomare Prozesse zu beschreiben. Da die Rydberg-Konstante und der Protonenradius eng zusammenhängen, würde eine Korrektur der Konstante möglicherweise für beide Messmethoden denselben Wert ergeben – und das Rätsel wäre gelöst.

Bemerkenswert an dieser Erklärung ist, dass die Rydberg-Konstante als die am genauesten gemessene Naturkonstante gilt. Zudem korreliert sie mit anderen Naturkonstanten, wodurch womöglich weitere Korrekturen vorgenommen werden müssten, etwa an der Planck-Konstante.

Noch keine Luftsprünge

Was sind die nächsten Schritte, um das Protonradiusproblem zu lösen? Egal, wie die Antwort aussieht, sie kann nicht von einem einzigen Experiment kommen. Eine amerikanische Gruppe arbeitet in der Schweiz etwa daran, den Protonenradius durch Myonenstreuung zu ermitteln – ein Ansatz, der noch nicht unternommen wurde; erste Resultate können in ein bis zwei Jahren vorliegen.

Außerdem arbeiten mehrere Gruppen daran, die Rydberg-Konstante zu messen – die letzten Ergebnisse stammen aus den 1990ern, die aktuellsten Messwerte könnten schon in den nächsten Monaten vorliegen. Wird der alte Wert bestätigt, würden sich die Indizien verdichten, tatsächlich etwas fundamental Neues gefunden zu haben. Pohl jedenfalls ist derweil skeptisch und macht "noch keine Luftsprünge", wobei er sagt: "Wenn jemals eine neue Physik entdeckt wird, würden sich die Indizien dafür genauso anfühlen wie unsere Messungen." (Tanja Traxler, 25.8.2016)


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  • Diese Computersimulation zeigt den Kern eines Heliumatoms, der aus zwei neutralen Neutronen (grün) und zwei positiv geladenen Protonen (rot) besteht.
    foto: picturedesk / science photo library

    Diese Computersimulation zeigt den Kern eines Heliumatoms, der aus zwei neutralen Neutronen (grün) und zwei positiv geladenen Protonen (rot) besteht.

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