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Forscher in der Schweiz rütteln an den Grundfesten der Physik

Neue Messungen am Paul-Scherrer-Institut bringen Physiker in Erklärungsnot: Die allgegenwärtigen Protonen sind kleiner als bisher angenommen. Existiert eine bislang unbekannte Naturkraft?

Physiker haben den Protonenradius neu gemessen: Die verwendete Laseranlage.
Physiker haben den Protonenradius neu gemessen: Die verwendete Laseranlage.
PSI/A. Antognini, F. Reiser

In der Physik ist es ein guter alter Bekannter: das Proton, entdeckt vor knapp hundert Jahren. Zusammen mit dem Elektron bildet das Proton das Wasserstoffatom – das mit Abstand häufigste Element im Universum. Trotz seiner Allgegenwärtigkeit stellt das Proton die Fachwelt vor ein Rätsel: Unlängst hat ein internationales Forscherteam irritierende Messdaten vorgestellt, gewonnen an einem Beschleuniger am Paul-Scherrer-Institut (PSI) in Villigen AG. Demnach ist das Proton kleiner, als bisher angenommen. Die Diskrepanz ist mit vier Prozent zwar klein, trotzdem ist sie für die Fachwelt nur schwer erklärbar. Falls nicht unentdeckte Messfehler dahinterstecken, könnten die rätselhaften Abweichungen auf neue Grundgesetze der Physik hindeuten.

Das Team um Aldo Antognini von der ETH Zürich hatte am PSI den Durchmesser des Protons so exakt wie nie zuvor gemessen. Dazu bedienten sich die Physiker eines raffinierten Tricks: Sie schufen eine neue, exotische Atomsorte – das myonische Wasserstoffatom. «Bei diesem Atom wird das Proton nicht wie normal von einem Elektron umkreist, sondern von einem Myon», sagt Antognini. Das Myon ist ein Elementarteilchen wie das Elektron, ist aber deutlich schwerer und sehr kurzlebig (siehe Kasten). Das Entscheidende: Das Myon umkreist das Proton auf einer viel engeren Umlaufbahn als das Elektron in einem normalen Wasserstoffatom. Dadurch konnten die Physiker die Grösse des Protons deutlich präziser «abscannen» – ähnlich, wie ein tief fliegender Satellit schärfere Bilder von der Erde macht als ein hoch fliegender.

Die Fachwelt ist verwirrt

Der Aufwand für das Experiment am PSI war enorm. Zehn Jahre brauchten die Forscher, um es an einem Teilchenbeschleuniger des PSI aufzubauen. Die Anlage bringt Teilchen auf fast 80 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Wie Geschosse prallen sie auf eine «Zielscheibe» aus Kohlenstoff, und dabei entstehen massenhaft Myonen. «Es ist der weltweit stärkste Myonenstrahl seiner Art», sagt Randolf Pohl vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in München, der ebenfalls am Experiment beteiligt war.

Ein hochkomplexes Arrangement aus Spezialmagneten bremst und bündelt diesen Myonenstrahl. Anschliessend lenken die Physiker den Strahl in einen Topf, gefüllt mit etwas Wasserstoffgas. Dort bremsen die Myonen ab, bis sie langsam genug sind, um von Protonen eingefangen zu werden. Für einen Wimpernschlag bilden sich myonische Wasserstoffatome, deren Protonen von einem Myon umschwirrt werden statt wie üblich von einem Elektron. Nur: Myonen sind nicht stabil, deshalb zerplatzen die exotischen Wasserstoffatome nach einer Millionstelsekunde wieder. Diese winzige Zeitspanne muss reichen, um die Sonderlinge unter die Lupe zu nehmen. Das gelingt nur, wenn im richtigen Augenblick ein Laserpuls in den Topf schiesst. Dieses Laserlicht bringt das myonische Wasserstoffatom dazu, einen schwachen Röntgenblitz auszusenden, der mit speziellen Detektoren nachweisbar ist. Aus diesen Messdaten lässt sich der Durchmesser des Protons präzise ermitteln.

Jetzt hat das Forscherteam seine genauen Analysen präsentiert. Frühere Experimente mit Elektronen hatten ergeben, dass das Proton 0,88 Femtometer misst. Ein Femtometer ist 10-15 Meter oder der millionste Teil eines Millionstelmillimeters. Mit dem myonischen Wasserstoffatom aber kamen Antognini und seine Leute nun auf den kleineren Wert von nur 0,84 Femtometer. Eine Diskrepanz von vier Prozent, die gross genug ist, um die Fachwelt zu verwirren. «Das Ergebnis hat uns sehr überrascht», sagt Antognini.

Eine unbekannte Naturkraft?

Jetzt suchen die Experten nach Erklärungen dafür, was die Gemeinschaft der Teilchenphysiker bereits als «Protonpuzzle» in ihren Bann zieht. Denn wenn die rätselhafte Diskrepanz allen Zweifeln standhalten würde, müssten die Fachleute etwas Drastisches annehmen: «Das würde dem Standardmodell der Teilchenphysik, das den Aufbau der Materie erklärt, heftig widersprechen», sagt Teammitglied Pohl. Denn so würde sich das Proton gegenüber Myonen anders verhalten als gegenüber Elektronen. «Es müsste so etwas wie eine neue, bislang unbekannte Naturkraft geben, die zwischen Myon und Protonen herrscht.» Und das wäre nichts anderes als eine handfeste physikalische Revolution.

Bevor es so weit ist, suchen die Physiker nach anderen Erklärungen. Die einfachste Möglichkeit: Hinter der Abweichung stecken unentdeckte Messfehler in einer der Apparaturen. «Das lässt sich nicht ausschliessen», meint Pohl. Ein weiterer Erklärungsversuch hat mit dem komplexen Aufbau des Protons zu tun: Es ist kein punktförmiges Elementarteilchen, sondern setzt sich aus kleineren Bausteinen zusammen, einem Gewimmel aus Quarks und Gluonen. Dieses Gewimmel könnte, so die Idee, durch ein Myon stärker beeinflusst werden als durch ein Elektron – schliesslich schwirrt das Myon deutlich dichter um das Proton herum. Dadurch könnte dieses ein wenig gestaucht werden und bei den neuen Messungen kleiner erscheinen als bei den alten.

Ob etwas in der Art passiert, muss erst ein neues Experiment am PSI beleuchten. Ab 2015 wollen die Forscher dort messen, wie stark schnelle Myonen abgelenkt werden, wenn man sie auf Protonen feuert. Auch Antognini und seine Leute machen weiter: Sie vermessen das myonische Deuterium-Atom, dessen Kern aus einem Proton und einem Neutron besteht. Zeigt sich auch hier eine Diskrepanz, würde die Glaubwürdigkeit der PSI-Experimente deutlich gestärkt.

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