von DIRK EIDEMÜLLER
Protonen gehören sind in allen Atomkernen enthalten. Der leichteste, Wasserstoff, besteht aus exakt einem Proton. Schwerere Atomkerne haben zusätzliche Protonen und Neutronen. Man sollte also meinen, dass ein solcher Grundbaustein der Materie sehr gut erforscht ist. Doch es gibt immer noch offene Fragen.
Schon seit den 1950er-Jahren ist bekannt, dass Protonen und Neutronen keine Punktteilchen sind. Damals machte der amerikanische Physiker Robert Hofstadter sogenannte Streuexperimente: Er schoss Elektronen aus einem Teilchenbeschleuniger auf Protonen und andere Atomkerne und vermaß dabei die Ablenkung der Elektronen genau. Wie sich herausstellte, haben Protonen eine Ausdehnung von weniger als einem Femtometer. Das ist zwar winzig klein, ein Billiardstel Meter, aber ein endlicher Wert – im Unterschied zu mutmaßlichen Punktteilchen wie Elektronen, Myonen und Neutrinos. Robert Hofstadter erhielt für diese wichtige Erkenntnis 1961 den Nobelpreis für Physik.
Seitdem wurde der Radius des Protons sowohl mit verfeinerten Streuexperimenten als auch mithilfe von Präzisionsspektroskopie jahrzehntelang immer wieder aufs Neue vermessen. Dabei schien sich – innerhalb gewisser Fehlerbalken – ein bestimmter Wert einzupendeln, der in die Standardwerke der Teilchenphysik eingegangen ist.
Eine Messung sorgt für Aufruhr
Im Jahr 2010 schlug dann die Nachricht wie eine Bombe ein, dass ein Experiment am Paul Scherrer Institut in der Schweiz mit hochgenauen Messungen einen signifikant anderen Wert für den Proton-Radius ermittelte. Waren etwa alle älteren Messungen falsch? Hatten sich beim Schweizer Experiment trotz der neuen und präzisen Messmethode unerwartete Fehler eingeschlichen? Oder steckten, wie manche mutmaßten, gar bislang unbekannte physikalische Phänomene dahinter? „Mit diesen Ergebnissen war das Proton-Radius-Rätsel in der Welt“, schildert Hartmut Wittig die vertrackte Lage. Er ist Professor für Theoretische Kernphysik an der Universität Mainz.
Seither widmeten sich mehrere Arbeitsgruppen weltweit der Aufgabe, den Proton-Radius mit experimentellen und theoretischen Mitteln genauer einzugrenzen (bdw 8/2014, „Das geschrumpfte Proton“). Dazu gibt es zwei experimentelle Messmethoden und mehrere theoretische Ansätze. Bei den Experimenten spielt neben den Versuchen zur Elektron-Proton-Streuung auch die spektroskopische Untersuchung von Wasserstoff eine wichtige Rolle. Dabei analysiert man mit sehr hoher Genauigkeit die Spektrallinien des Elektrons, das um das Proton kreist.
Diese Spektrallinien werden von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Eine sehr geringe Wirkung hat auch der Radius, weil das Elektron im Grundzustand nicht wie ein Planet um die Sonne kreist, sondern eine quantentypisch verwaschene Aufenthaltswahrscheinlichkeit rund um den Atomkern – also das Proton – besitzt. Das Volumen des Protons ist zwar winzig im Vergleich zur „Aufenthaltswolke“ des Elektrons. Aber diese Überschneidung führt zu messbaren Effekten, sodass sich daraus der Proton-Radius bestimmen lässt.
