Als vor knapp einem Jahrhundert der britische Physiker Ernest Rutherford ein positiv geladenes Elementarteilchen entdeckte, taufte er es auf den griechischen Namen “proton” (“das Erste”). Zusammen mit einem Elektron bildet es das einfachste Atom, den Wasserstoff.
Für die Messung des Ladungsradius zählt fast nur die Außenansicht des Protons als “verwaschene Ladungskugel”. Ein Elektron umrundet das Proton auf einem von vielen möglichen Orbitalen. Atomphysiker nummerieren sie von innen nach außen mit n = 1, 2, 3, … Im myonischen Wasserstoff, bei dem das Elektron durch ein Myon ersetzt ist, messen Forscher das Orbital mit der Nummer n = 2. Gemäß der Quantenelektrodynamik spaltet es sich durch den Effekt der Lamb-Verschiebung in mehrere Subniveaus auf, die mit den Buchstaben 2S und 2P gekennzeichnet sind. Die Energiedifferenz
ΔE (in Einheiten von Millielektronenvolt) zwischen 2S und 2P berechnen die Theoretiker nach folgender Formel:
ΔE = 209,9779 – 5,2262 (Protonradius) 2 + 0,0347 (Protonradius) 3. In dieser Formel tritt der Protonenradius in der Einheit Femtometer auf (10–15 Meter). Der zweite und der dritte Term zeigen den Einfluss der endlichen Größe des Kernteilchens – ein Zwei-Prozent-Effekt. Im normalen Wasserstoff aus Elektron und Proton ist der entsprechende Einfluss zwar ebenfalls messbar, aber viel geringer.
Dass sich der Protonenradius aus beiden Experimenten um vier Prozent unterscheidet, stellt die Atomphysiker seit über vier Jahren vor ein Rätsel – Ausgang ungewiss. Manche Forscher hoffen, einem völlig neuen physikalischen Effekt auf der Spur zu sein.
Wasserstoff ist keine Lösung!
