RYDBERG-KONSTANTE
Die wahre Größe des Protons bereitet Forschenden seit einiger Zeit Kopfzerbrechen. Verschiedene Experimente kommen zu unterschiedlichen Ergebnissen. Eine präzisere Bestimmung der Rydberg-Konstante soll nun dabei helfen, den wahren Wert zu ermitteln.
Das Proton ist eines der gewöhnlichstenTeilchen im Universum. In jedem Atomkern sitzt mindestens eines davon. Und doch sorgt es für reichlich Ärger. So herrscht etwa Uneinigkeit darüber, wie groß das Proton wirklich ist –wenn Fachleute nachmessen, erhalten sie je nach Methode sehr unterschiedliche Ergebnisse. Dieser unerfreuliche Zustand beschäftigt die Fachwelt seit dem Jahr 2010, als eine Gruppe vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching »das Proton schrumpfen ließ« (wie es in der zugehörigen redaktionellen Zusammenfassung in »Nature« hieß) – und zwar um ganze fünf Prozent von 0,887 Femtometer auf nur noch 0,842 Femtometer. Seither hat fast jede Forschungsgruppe ihren eigenen Protonenradius, und niemand weiß, warum.
Es gibt mittlerweile eine ganze Reihe möglicher Erklärungen für diesen Umstand: unbekannte Strukturen im Proton selbst, mysteriöse neue Teilchen oder eine bisher unbekannte Fehlerquelle. Verschlimmert wird das Problem außerdem durch hinreichend bekannte, aber dadurch nicht weniger lästige Unsicherheiten. Zum Beispiel lässt sich die Größe des Protons aus der Wellenlänge der Strahlung berechnen, die die Elektronen eines Wasserstoffatoms absorbieren, wenn sie in ein höheres Energieniveau wechseln. Unglücklicherweise muss man dazu die Größe des Protons sehr genau kennen.
Genau dieses Henne-Ei-Problem hat nun ein Team um Simon Scheidegger und Frédéric Merkt von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich elegant umgangen. Die Forschenden maßen die Differenz zwischen zwei speziellen Energiezuständen im Wasserstoffatom. Dieses besteht lediglich aus einem Proton und einem Elektron. Der Trick bei dem Verfahren, das sie jetzt im Fachmagazin »Physical Review Letters« vorstellen, ist, dass einer der gewählten Zustände völlig unabhängig ist von der Größe des Protons. Dadurch konnte das Team über nur noch eine weitere Zusatzannahme einen Messwert erhalten, aus dem sich die Größe des Protons berechnen lässt.
