Preisträger

Trifft ein Myon ein Proton …

„To understand hydrogen is to understand all of physics“ (Victor Weisskopf)

  • Aldo Antognini und Randolf Pohl
  • 09 / 2012 Seite: 47

Wie misst man den Radius eines Protons? Vielleicht liegt es nicht auf der Hand, aber die Laserspektroskopie ist inzwischen so präzise, dass sich aus dem Vergleich von gemessener und berechneter 2S-2P-Aufspaltung in Wasserstoff der Protonenradius ableiten lässt. Noch viel genauer sollte dies möglich sein, wenn ein Myon den Platz des Elektrons einnimmt. Doch siehe da: Zwischen beiden Messwerten klafft eine Lücke, die sieben experimentellen Fehlerbalken entspricht. Noch zeichnet sich keine Lösung für dieses „proton radius puzzle“ ab.

Der Wunsch, das Anregungsspektrum des Wasserstoffatoms (H) zu verstehen, war schon immer eine der treibenden Kräfte der Physik. Dies liegt vor allem an seiner wunderbaren Einfachheit: Da es nur aus Proton und Elektron besteht, sind sehr präzise theoretische Vorhersagen möglich, wobei Diskrepanzen zwischen Theorie und Experiment auf bisher unverstandene Effekte hinweisen können. So war die Vermessung der Emissionslinien im sichtbaren Licht (Balmer-Serie) essenziell für die Entwicklung des Bohrschen Atommodells und der Quantenmechanik. Präzisere Experimente zeigten jedoch bereits 1891 eine Dublettstruktur der ersten Balmer-Linie: die Aufspaltung des 2P-Zustands in 2P1/2 und 2P3/2 . Diese lässt sich mit dem Spin des Elektrons verstehen und beschreiben, der sich zwangsläufig aus der Dirac-Gleichung ergibt, der relativistischen Erweiterung der Quantenmechanik. Im Jahre 1947 zeigten jedoch Willis Lamb und Robert Retherford, dass die Wasserstoff-Niveaus 2S1/2 und 2P1/2 entgegen der Vorhersage der Dirac-Theorie nicht entartet sind. Diese Lamb-Verschiebung beträgt etwa 1 GHz. Hans Bethe erklärte diese Messung kurz darauf durch Effekte der Quantenelektrodynamik (QED).

In den letzten 40 Jahren hat es die Laserspektroskopie erlaubt, die Übergangsenergien zwischen verschiedenen Niveaus immer genauer zu messen. So ist heute die Übergangsenergie zwischen dem 1S-Grundzustand und dem metastabilen 2S-Zustand mit einer Genauigkeit von 4 · 10–15 bekannt; bei anderen Übergängen, wie 2S → 8S, 2S → 8D usw., beträgt die Unsicherheit ca. 10–11. Gleichzeitig wurden die Rechnungen immer ­genauer [4], sodass sich die QED präziser testen lässt. ... 

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