Protonenradius laserspektroskopisch bestätigt - Photonik

Protonenradius laserspektroskopisch bestätigt

Mittels hochpräziser Laserspektroskopie an regulärem Wasserstoff konnte der kleine Protonenradius von myonischem Wasserstoff bestätigt werden.

Bild: MPQ
Vakuumapparat, der zur Messung der 2S-4P-Übergangsfrequenz in atomarem Wasserstoff genutzt wurde. Das... mehr...

Bereits 2010 ergaben laserspektroskopische Untersuchungen an myonischem Wasserstoff für den Ladungsradius des Protons einen Wert, der um vier Standardabweichungen kleiner war als der aus bisherigen Messungen an gewöhnlichem Wasserstoff ermittelte Wert. Seither wird über die Ursachen dieser Diskrepanz gerätselt und selbst Erweiterungen des sogenannten Standardmodells der Physik werden diskutiert. Doch nun hat ein Team aus der Abteilung Laserspektroskopie von Prof. Theodor W. Hänsch am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching eine neue spektroskopische Messung an gewöhnlichem Wasserstoff vorgenommen. Die daraus abgeleiteten Werte für die Rydbergkonstante und den Protonenradius stimmen sehr gut mit den Messungen an myonischem Wasserstoff überein (Nature 466, 213 (2010)), liegen aber 3,3 Standardabweichungen unter dem Mittel der bisherigen spektroskopischen Messungen an regulärem Wasserstoff.

Wasserstoff ist das einfachste aller chemischen Elemente. Nach dem 1913 von Niels Bohr vorgeschlagenen Modell besteht es aus einem einzigen Proton und einem darum kreisenden Elektron. Für die Energieniveaus dieses Systems liefert die Quantenelektrodynamik Vorhersagen, die mittlerweile auf 12 Dezimalstellen genau sind. Wasserstoff spielt deshalb eine Schlüsselrolle für unser Verständnis von der Natur. Aus seiner Untersuchung lassen sich fundamentale Größen wie die Rydberg-Konstante und der Ladungsradius des Protons bestimmen. Wasserstoff ist also das ideale Testobjekt, um die Naturgesetze zu überprüfen.

Deshalb erregten Messungen an myonischem Wasserstoff, die einen unerwartet kleinen Protonenradius ergaben, höchste Aufmerksamkeit. Bei diesen am Paul Scherrer-Institut im schweizerischen Villigen realisierten Experimenten wird das Elektron im Wasserstoffatom durch sein Geschwisterteilchen, das 200-mal schwerere und kurzlebige Myon, ersetzt. Laserspektroskopie an diesem myonischem Wasserstoff ergab einen um 4 Prozent kleineren Protonenradius als frühere Messungen an gewöhnlichem Wasserstoff, und dies mit einer für eine Einzelmessung extrem hohen Genauigkeit. Das Myon ist 200-mal schwerer als das Elektron und kommt dem Proton daher viel näher. Der Protonenradius hat deswegen einen um sieben Größenordnungen stärkeren Einfluss auf die Spektrallinien als in regulärem Wasserstoff. Daraus ergibt sich die hohe Präzision, mit der die Wissenschaftler den Protonenradius bestimmen konnten.

Um sowohl Rydberg-Konstante als auch Protonenradius nur durch Spektroskopie an regulärem Wasserstoff zu bestimmen, müssen zwei verschiedene Übergangsfrequenzen gemessen werden. Als Eckpfeiler dient dabei die mit Abstand schärfste Resonanz, der sogennante 1S-2S-Übergang, dessen Frequenz vom MPQ-Team 2011 mit Laserspektroskopie auf 15 Dezimalstellen genau gemessen wurde (Phys. Rev. Lett. 107, 203001 (2011)). Diese hohe Genauigkeit wurde nicht zuletzt durch die Entwicklung des Frequenzkamms möglich, für den Prof. Hänsch 2005 den Physik-Nobelpreis erhielt. Als zweiten Übergang wählte das MPQ-Team den sogenannten 2S-4P-Übergang, der vom metastabilen 2S-Zustand in den deutlich kurzlebigeren 4P-Zustand führt.

Im Experiment wird dieser Übergang von einem Laser mit einer Wellenlänge von 486 nm angeregt und die beim Zerfall des 4P-Zustand entstehende Fluoreszenz wird als Signal detektiert. Der zuvor zur 1S-2S-Messung genutzte Apparat dient als Quelle für Wasserstoffatome im 2S-Zustand. Im Vergleich zu vorherigen Messungen, die bei Raumtemperatur arbeiteten, haben die spektroskopisch untersuchten Atome dadurch eine deutlich niedrigere Temperatur von 5,8 Kelvin und damit auch eine deutlich niedrigere Geschwindigkeit. Zusammen mit weiteren eigens entwickelten Techniken kann somit der Dopplereffekt, die größte Fehlerquelle für die Messung, stark unterdrückt werden.

Eine weitere Fehlerquelle bei diesem Experiment ist nach Ansicht der Forscher ist die sogenannte Quanteninterferenz. Könne man einen einzelnen, isolierten Übergang anregen, sei die natürliche Form der Spektrallinie symmetrisch. Allerdings gäbe es in dem Fall zwei vom Laser angeregte obere Zustände, nämlich 4P 1/2 und 4P 3/2. Dadurch würden die Spektrallinien leicht asymmetrisch, und die Bestimmung der Linienmitte schwieriger. Der Effekt sei zwar sehr klein, spiele aber angesichts der erreichten Genauigkeit von fast einem Zehntausendstel der Linienbreite eine große Rolle. Um den Einfluss der Quanteninterferenz zu beschreiben, führen die Wissenschaftler detaillierte Simulationen durch, die sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen.

Damit schafft es das MPQ-Team die Frequenz des 2S-4P-Übergangs in Wasserstoff auf 2,3 kHz genau zu bestimmen. Dies entspricht einer relativen Messungenauigkeit von 4 x 10-12 und stellt die zweitgenaueste Spektroskopiemessung nach der zuvor genannten Messung des 1S-2S-Übergangs dar. Aus der Kombination dieser beiden Ergebnisse bestimmen sich die Werte für die Rydberg-Konstante und den Protonenradius zu R∞ = 10973731.568076(96) m-1 und rp = 0,8335(95) fm.

Originalveröffentlichung:

[A. Beyer, L. Maisenbacher, A. Matveev, R. Pohl, K. Khabarova, A. Grinin, T. Lamour, D. C. Yost, T. W. Hänsch, N. Kolachevsky, T. Udem, The Rydberg constant and proton size from atomic hydrogen, Science 358 (2017), DOI: 10.1126/science.aah6677 ]

www.mpq.mpg.de

 
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