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Von: Dennis L.
Neue Messmethode

Atomkerne sind viel kleiner als bisher gedacht

Eine neue Messung zeigt, dass der Deuteriumkern viel kleiner ist, als bisher angenommen. Bereits zum zweiten Mal weicht der Radius des Atomkerns von den bisher berechneten Werten ab.

Das Proton ist nach neusten Messungen wohl kleiner als bisher gedacht.
© Tim Reckmann / pixelio.de

Mainz (Deutschland). Die neu berechneten Abweichungen sprechen dafür, dass eine der wichtigsten Größe in der Physik bisher nicht richtig bestimmt wurden. Hierbei handelt es sich um den Radius eines Protons. Das gaben jetzt Forscher im Fachmagazin Science bekannt. Die Werte müssen jetzt für mehrere Naturkonstanten nachjustiert werden.

Eines der fundamentalsten Bausteine der Materie ist ein Proton. Zusammen mit einem Neutron bildet es den Atomkern. Die Basis vieler wichtiger Naturkonstanten wird durch die Eigenschaften eines Protons geliefert, wie zum Beispiel bei der Rydberg-Konstante. Hierdurch lassen sich beispielsweise die Spektrallinien besser bestimmen.

Der Protonenradius wirft Rätsel auf

Im Jahr 2010 war genau dies der Fall. Mit Hilfe der Laserspektroskopie haben Wissenschaftler den Radius von Protonen nachgemessen. Sie kamen daher anstatt auf den bisherigen Wert von 0,8768 auf einen Radius von nur noch 0,84184 Femtometern. Demnach wäre ein Proton kleiner, als bisher angenommen wurde.

Das neue Messergebnis sorgte vielerorts für heftige Diskussionen. War die Messung vielleicht fehlerhaft oder war der alte Wert von Anfang an falsch? Sollte vielleicht eine bisher noch unbekannte physikalische Kraft am Werk sein? Randolf Pohl von der Universität Mainz berichtet, dass er Angst hatte, dass sich altgediente Physiker melden und einen groben Fehler bei der Messung nachweisen können. Bis heute war diese Angst aber unbegründet.

Selbst das Deuteron ist viel kleiner

Eine neue Messung sorgt erneut für Rätsel über die Größe eines Protons. Aktuell haben Pohl und seine Kollegen eine neue Messung vorgenommen und einen weiteren Atomkern ganz neu bestimmt. Diesmal handelt es sich um ein Neutron und ein Proton - einen einfach zusammengesetzten Atomkern.

Schon wieder kam es dazu, dass die neuen Laserspektroskopie-Messungen andere Werte anzeigte. Anstatt der früheren 2,1424 Femtometer wurden aktuell 2,12562 Femtometer gemessen. Pohl und seine Kollegen berichten, dass das Rätsel um einen Protonradius jetzt noch weiter vertieft wurde, da wieder ein neuer Protonradius gemessen wurde.

Das aktuelle Messprinzip

Die Forscher nutzten für ihre Messungen wieder die Laserspektroskopie. Bei der aktuellen Messung wurde das Elektron des Deuteriums durch ein Myon ersetzt. Die negativ geladenen Elementarteilchen ähneln sehr stark einem Elektron. Myonen sind aber circa 200 Mal schwerer. Sie bewegen sich daher viel näher am Atomkern. Ihre Bahnen hängen stark von der Größe des Kerns ab.

Durch ein gepulstes Lasersympton wurde dem Myon Energie zugeführt. Das Myon wird bei einer richtigen Wellenlänge auf einen höheren Energiezustand gebracht, wobei es Röntgenphotonen ausgestrahlt hat. Durch die Photonenanzahl, kann der energetische Abstand der Myonen zum Kern und der Radius des Deuterons, ermittelt werden.

Fehler sind eher bei den alten Werten möglich

Die neuen Messungen belegen, dass das Proton viel kleiner ist, wie bisher angenommen. Das Rätsel hat sich durch die Messung doppelt bestätigt. Es ist immer noch unklar, warum die neuen Werte von den Alten abweichen.

Viele Forscher vermuten, dass es zu Fehlern bei der alten Messung gekommen ist. Dass die neue Methode durch die Laserspektroskopie fehlerhaft ist glaubt niemand, meint Koautor Aldo Antognini vom Paul-Scherrer-Institut. Das Rätsel lässt sich leicht lösen, wenn ein Fehler bei der Wasserstoffspektroskopie nachgewiesen werden kann.

Naturkonstanten müssen neu angepasst werden

Weltweit sind viele Forschergruppen aktiv, um neue Messungen mit der Wasserstoffspektroskopie vorzunehmen. Wenn sich herausstellt, dass die Wasserstoffspektroskopie falsche Werte liefert, dann hätte das die Konsequenz, dass die Rydberg-Konstante geändert werden müsste.

Sie war bisher unter allen Konstanten diejenige, die die höchste Genauigkeit aufwies. Selbst die elfte Nachkommastelle konnte mit dieser Methode berechnet werden. Wenn sich der neue Protonradius bestätigt, dann würde sich die Stelle hinter dem Komma ändern. Es würde aber auch weitere Korrekturen der Naturkonstanten mit sich bringen.

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