Seit mehr als zehn Jahren stehen Physiker vor einer verwirrenden Situation: Die GröĂe des Protons, des Kerns des Wasserstoffatoms, ist nicht identisch, je nach verwendeter Messtechnik. Dieses Problem wird als das RĂ€tsel um den Protonenradius bezeichnet.
Experimente mit Elektronen ergaben einen etwas gröĂeren Radius als solche mit Myonen, schwereren Teilchen. Eine solche Diskrepanz könnte auf einen Fehler im Standardmodell hindeuten, der Theorie, die die Elementarteilchen beschreibt. Es war daher eine zuverlĂ€ssigere und genauere Messung nötig, um eine Entscheidung zu treffen.
Ultraviolettes Laserlicht, das atomaren Wasserstoff wÀhrend des Experiments abtastet.
Quelle: Ben Ward/Colorado State University for the College of Natural Sciences
So stellte sich ein Team der Colorado State University der Herausforderung mit einer Laser-Spektroskopie-Technik von beispielloser PrÀzision. Ihr Ergebnis setzt den Protonenradius auf etwa 0,84 Femtometer, ein Wert, der den Vorhersagen des Standardmodells sehr nahe kommt. Diese Messung scheint die Kontroverse zu beenden.
Dylan Yost, auĂerordentlicher Professor, erklĂ€rt, dass dieses Ergebnis die Möglichkeit ausschlieĂt, dass eine neue Kraft oder ein neues Teilchen fĂŒr die frĂŒhere Abweichung verantwortlich war. Seiner Meinung nach stĂ€rkt die Ăbereinstimmung mit der Theorie das Vertrauen in das Standardmodell, auch wenn anderswo noch Ăberraschungen auftauchen könnten.
Um diese PrÀzision zu erreichen, entwickelte das Team eine neuartige Methode, die gleichzeitig zwei Laserstrahlen verwendet. Der Student Ryan Bullis, Erstautor der Studie, prÀzisiert, dass sich Wasserstoffatome sehr schnell bewegen und wenig mit dem Laser wechselwirken, was die Signale schwer erfassbar macht. Der Doppellaserpuls ermöglichte eine Verfeinerung der Messung.
Eine Vorrichtung zur Trennung von molekularem Wasserstoff in atomaren Wasserstoff vor der Analyse.
Quelle: Ben Ward/Colorado State University
Diese Arbeiten veranschaulichen, wie Laborexperimente die groĂen Teilchenbeschleuniger ergĂ€nzen können. Dylan Yost vergleicht ihren Ansatz mit einer aufleuchtenden Motorkontrollleuchte: Sie zeigt an, wo man nach möglichen Anomalien suchen sollte. Beide Arten von Experimenten sind notwendig, um das Standardmodell zu prĂŒfen und eine mögliche neue Physik zu entdecken.
GestĂ€rkt durch diese Ergebnisse plant das Team, die gleiche Technik auf andere Atome wie Deuterium anzuwenden. Dylan Yost zeigt sich zufrieden, dass sich Wasserstoff wie erwartet verhĂ€lt, erinnert aber daran, dass zukĂŒnftige Experimente sicherlich noch genauere Ergebnisse liefern werden. Die Suche nach der fundamentalen Physik geht weiter, zwischen Theorie und Experiment.
Die Laser-Spektroskopie von Atomen
Die Laser-Spektroskopie ist eine Technik, die Laserlicht nutzt, um die Struktur von Atomen zu untersuchen. Durch Ănderung der Laserfrequenz können Elektronen dazu gebracht werden, von einem Energieniveau zu einem anderen zu springen. Diese ĂbergĂ€nge sind sehr empfindlich gegenĂŒber den Eigenschaften des Atomkerns, wie seiner GröĂe.
Im Experiment des Colorado-Teams erzeugten die Forscher einen Strahl von Wasserstoffatomen in einer Vakuumkammer. Indem sie diese Atome mit ultravioletten Lasern prĂ€ziser Frequenzen beschossen, konnten sie die Energie, die zur Anregung der Elektronen nötig ist, mit groĂer Genauigkeit messen.
Um den Protonenradius abzuleiten, verglichen die Forscher diese Messungen anschlieĂend mit theoretischen Berechnungen. Die Schwierigkeit lag darin, dass sich die Atome schnell bewegen, was die Wechselwirkungszeit mit dem Laser verkĂŒrzt. Die Lösung bestand darin, gleichzeitig zwei Laserstrahlen zu verwenden, um die Genauigkeit zu erhöhen.