Forschung & Entwicklung

Quantenelektrodynamik gerät ins Wanken

16.08.2010

Messungen eines internationalen Forscherteams ergaben, dass der Protonenradius kleiner ist, als bislang angenommen. Dieses noch nicht vollständig erklärbare Ergebnis könnte grundsätzliche physikalische Annahmen über die Wechselwirkung von Licht und Materie außer Kraft setzen.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ), Garching, der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU), des Instituts für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart und des schweizerischen Paul-Scherrer-Institut (PSI) in Villigen haben experimentell einen Protonenradius von 0,84184 fm ermittelt – eine gravierende Abweichung um 4% vom bisher anerkannten Wert von 0,8768 fm. Die fundamentale Theorie der Wechselwirkung von Licht und Materie könnte damit in Frage gestellt sein und zudem eine Neudefinition bekannter Naturkonstanten notwendig werden.
Vermessen wurde eine spezielle Variante des Wasserstoffs, bei dem statt eines Elektrons ein negativ geladenes Myon den Atomkern umkreist. Da das Myon ca. 200mal schwerer als ein Elektron ist, nähert es sich dem Atomkern weit mehr, letztlich bis an die Ausdehnung des Protons heran. Der Protonenradius wurde über die Lamb-Verschiebung der Energieniveaus im myonischen Wasserstoff gemessen. Für das Experiment entwickelten die Forscher einen speziellen Laser und eine Myonenquelle.
Die Idee, das Hüllenelektron durch ein Myon zu ersetzen, reicht zurück in die 70er Jahre, allerdings scheiterte die experimentelle Umsetzung bisher daran, dass keine langsamen Myonen erzeugt werden konnten, die sich durch Wasserstoffatome einfangen lassen. Zudem muss mit verdünntem Wasserstoff gearbeitet werden, da die Atome sonst aufgrund von Stößen zu schnell zerfallen. Nicht zuletzt ist für den resonanten Übergang eine in kleinen Schritten abstimmbare Laserquelle notwendig. Das Experiment wurde nun durch einen speziellen Scheibenlaser möglich, der die Lichtpulse innerhalb von Nanosekunden nach Registrierung eines Myons auf das Wasserstoff-Target abfeuert. Allerdings konzentrierte man sich laut Dr. Aldo Antognini vom PSI zunächst auf die Entwicklung des Lasersystems, bemerkte dann aber, dass der theoretisch vorhergesagte Frequenzübergang nicht stimmt. Die gesuchte Resonanz konnte im Juni 2009 nachgewiesen werden.
2012 soll myonisches Helium spektroskopisch untersucht und dessen Kernradius bestimmt werden. Diese Erkenntnisse sollen dann zeigen, ob die Quantenelektrodynamik in bisheriger Weise Gültigkeit behält.
[R. Pohl et al., The size of the proton, Nature, 08.07.2010, Doi: 10.1038/nature09250]

Photonik 4/2010

• http://www.mpq.mpg.de
• http://www.ifsw.uni-stuttgart....
• http://www.psi.ch