Liebling, ich habe das Deuteron geschrumpft!

Das Deuteron ist kleiner, als bisherige Messungen ergeben haben. Ein Deuteron besteht nur aus einem Proton und einem Neutron. Eine internationale Kooperation von Forschern hat am Paul-Scherrer-Institut PSI das Deuteron genauer vermessen als je zuvor. Der Radius des Deuterons, den sie erhielten, deckt sich jedoch nicht mit den Werten anderer Forschungs­gruppen, sondern zeigt einen deutlich kleineren Wert.

Trotz dieses Widerspruchs gibt es auch eine Übereinstimmung: Bereits 2010 hatte die gleiche Forschungs­gruppe am PSI von der Vermessung einzelner Protonen mit derselben Methode berichtet. Auch damals zeigte sich deutlich: Das Proton ist kleiner als bis dato angenommen. „Das Rätsel um den Protonradius” nennt die Forschungs­gemeinde seither diesen Umstand. Eine weitere Auswertung von Protonen-Daten vom PSI bestätigte im Jahr 2013 denselben kleinen Wert.

Nun also auch das Deuteron. „Dass aber unsere Methode, die Laser­spektroskopie, fehlerhaft ist, glaubt inzwischen niemand mehr aus der Community", stellt der PSI-Physiker Aldo Antognini klar. Und sein Forschungs­partner Randolf Pohl, der inzwischen an der Universität Mainz forscht, ergänzt: „Nachdem 2010 unsere erste Studie herausgekommen war, fürchtete ich, dass sich ein altgedienter Physiker melden und uns auf einen groben Schnitzer hinweisen würde. Aber die Jahre sind vergangen und bis heute ist nichts dergleichen passiert." Und nun bestätigt auch die neue Studie – die Vermessung des Deuterons – das Rätsel um den Proton­radius. „Man könnte sagen: Das Rätsel hat sich jetzt doppelt bestätigt", so Pohl. Neben den Wissenschaftlern am PSI waren maßgeblich Forscher an der ETH Zürich, am MPI für Quanten­optik Garching, Stuttgart, Paris (Frankreich), Coimbra (Portugal), Freiburg (Schweiz) und Hsinchu (Taiwan) an der Studie beteiligt.

Das neue Forschungsergebnis ist mehr als eine Verdopplung des alten Rätsels um den Protonradius: „Natürlich kann es nicht sein, dass das Deuteron – genauso wenig wie das Proton – zwei verschiedene Größen hat", stellt Antognini klar. Also sucht die Wissenschafts­gemeinde nach Erklärungen, die die unterschiedlichen Werte wieder miteinander in Einklang bringt. Eine mögliche Erklärung ist, dass eine bislang unbekannte physikalische Kraft am Werk ist. Das ist für die Wissenschaftler ein aufregendes Szenario, ist jedoch sehr unwahrscheinlich.

Die naheliegendere Erklärung ist eine experimentelle Ungenauigkeit. „Tatsächlich ließe sich das Rätsel sehr leicht lösen, wenn wir von einem minimalen experimentellen Problem bei der Wasserstoff­spektroskopie ausgehen", erklärt Antognini. Auf dieser Methode basiert ein Teil der früheren Messungen sowohl der Protongröße als auch der Deuterongröße.

Eine weitere Methode zur Bestimmung der Proton- und Deuteron­größe nutzt Elektronen­streuung. Die Deuterongröße, die via Elektronen­streuung gemessen wurde, ist tatsächlich vereinbar mit dem neuen Wert der PSI-Forschungs­gruppe, hat jedoch insgesamt eine vergleichs­weise große Ungenauigkeit.

Um das Rätsel des Protonradius zu knacken, haben mehrere Forschungsgruppen, die Wasserstoff­spektroskopie oder Elektronenstreuung betreiben, schon vor Jahren begonnen, ihre Experimente aufzurüsten und in der Genauigkeit zu verbessern. Darauf sind Antognini und Pohl stolz: „Hätte unser Wert mit den vorangegangenen übereingestimmt, hätte es zwar nicht dieses verflixte Rätsel um den Protonradius gegeben; aber es hätte auch niemals diese Welle gegeben, die mittlerweile weltweit zu mehreren hochgenauen Messaufbauten geführt hat", sagt Pohl. Aktuell sind Forschungsgruppen in München, Paris und Toronto dabei, genauere Werte via Wasserstoff­spektroskopie zu ermitteln. Deren Ergebnisse werden für die kommenden Jahre erwartet.

„Sollte sich tatsächlich herausstellen, dass die Wasserstoff­spektroskopie einen falschen – also minimal verschobenen – Wert liefert, so würde das bedeuten, dass die Rydberg­konstante minimal geändert werden muss", erklärt Antognini. Die Rydberg­konstante und der Proton­radius sind zwei stark aneinander gekoppelte Größen. Auch ist die Rydbergkonstante unter allen physikalischen Konstanten diejenige, die bislang mit der höchsten Genauigkeit bestimmt wurde: Selbst ihre elfte Nachkomma­stelle ist schon bekannt. Dennoch könnte sich dank des Rätsels um den Protonradius an diesen letzten Stellen hinter dem Komma noch etwas ändern. Das hätte für viele Bereiche der Physik Konsequenzen und würde zu minimalen Korrekturen weiterer Naturkonstanten führen.

Am PSI bestimmten die Forscher die Größe des Deuterons, indem sie zunächst künstliche Atome erschufen: myonisches Deuterium. Diese Atome haben als Kern ein Deuteron, das von einem Myon umkreist wird. Die Myonenquelle des PSI ist die weltweit leistungs­stärkste ihrer Art. Dank dieser war es möglich, rund 300 Myonen pro Sekunde in die Experimentierkammer zu schleusen. Dort trafen sie auf gasförmiges Deuterium, schleuderten dessen Elektronen heraus und nahmen deren Platz ein. Das Ergebnis waren Atome aus myonischem Deuterium. Durch ihre höhere Masse bewegen sich die Myonen viel näher am Atomkern und die Eigenschaften ihrer Bahnen hängen viel stärker von der Größe dieses Kerns ab.

Dies nutzten die Forscher aus: Mit einem komplexen gepulsten Lasersystem, das sie eigens für dieses Experiment entwickelten, regten sie das Myon im künstlichen Atomverbund an. Die Wellenlänge des Lasers ließ sich stufenlos variieren. Bei der exakt richtigen Wellenlänge wurde das Myon von einem energetischen Zustand in einen anderen gehoben; von dort aus fiel es sofort wieder in einen niedrigeren Zustand, wobei es ein Licht­teilchen im Röntgen­bereich aussandte. Die eingestrahlte Wellenlänge, bei der ein Maximum an Röntgen-Photonen auftrat, markierte den energetischen Abstand der betreffenden Myonen­bahnen um den Kern. Dieser energetische Abstand hängt stark mit dem Radius des Deuterons zusammen; die Forscher konnten also anhand ihrer Messkurve die Größe des Deuterons bestimmen. Ganz analog hatten sie bei der Studie aus dem Jahr 2010 die Größe des Protons gemessen.

PSI / DE