Forschung

Das Proton schrumpft

07.04.2021 - Neue Berechnungsverfahren sprechen für kleineren Protonradius.

Sämtliche bekannten Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen – und doch sind viele Eigenschaften dieser allgegen­wärtigen Nukleonen noch nicht verstanden. So gibt insbesondere der Radius des Protons seit einigen Jahren Rätsel auf: Im Jahr 2010 sorgte eine neue Messung des Proton-Radius mithilfe der Laser­spektroskopie von myonischem Wasserstoff für Aufsehen – in diesem besonderen Wasserstoff ist das Elektron in der Hülle des Atoms ersetzt durch seinen schweren Verwandten, das Myon, wodurch sich die Genauigkeit der Messung erheblich steigern ließ. Die Forscher ermittelten einen deutlich kleineren Wert, als er aus entsprechenden Messungen an normalem Wasserstoff und der Bestimmung des Proton­radius aus Elektron-Proton-Streu­experimenten bekannt war. Die große Frage: Verbirgt sich hinter der Abweichung eine neue Physik jenseits des Standard­modells oder handelt es sich lediglich um systematische Unsicherheiten der verschiedenen Mess­methoden?
 

Um Licht ins Dunkel zu bringen und die unter­schiedlichen Ergebnisse einzuordnen, spielen theoretische Berechnungen eine wichtige Rolle. Eine Gruppe von Physikern am Exzellenz­cluster Prisma+ zielt dabei insbesondere auf die elektromagnetischen Form­faktoren ab. „Diese gilt es, aus der grund­legenden Theorie der Quanten­chromodynamik (QCD) heraus zu ermitteln“, erläutert Hartmut Wittig. „Das bedeutet, wir berechnen diese Größen, ohne dass experimentell gemessene Daten in unsere Rechnung einfließen.“ Die elektromagnetischen Form­faktoren beschreiben die Verteilung von elektrischer Ladung und Magnetisierung innerhalb des Protons. Auf ihrer Messung beruht auch die experimentelle Bestimmung des Proton-Radius aus Elektron-Proton-Streu­experimenten. Sie sind also eine wichtige Größe im Proton-Radius-Rätsel.

Die Quantenchromo­dynamik beschreibt das Kräftespiel im Atomkern: Dort bindet die starke Wechsel­wirkung die Quarks als elementare Bausteine der Materie zu Protonen und Neutronen zusammen und wird durch Gluonen als Austausch­teilchen vermittelt. Um diese Vorgänge mathematisch simulieren zu können, greifen die Mainzer Wissenschaftler auf die Gitter­feld­theorie zurück. Mit speziellen Simulations­verfahren lassen sich dann die Eigenschaften der Nukleonen unter Einsatz von Super­computern berechnen.

„In Bezug auf die Größe des Protons gab es in letzter Zeit sehr viele Aktivitäten bei solchen Gitter­rechnungen, aber bis dato reichte deren Präzision nicht aus, um zwischen der Messung an myonischem Wasserstoff und dem Ergebnis aus der Elektron-Proton-Streuung zu unterscheiden“, so Hartmut Wittig. „Wir haben die elektro­magnetischen Formfaktoren nun erstmals so genau berechnet, dass sie uns erlauben, uns in die Diskussion um den Proton-Radius einzuschalten.“ 

Denn aus den Formfaktoren wiederum lässt sich der Proton-Radius in mehreren Schritten bestimmen. Das Ergebnis ist ein weiterer Hinweis auf ein kleineres Proton – und das erstmals auf Basis einer von den bisherigen Messungen unabhängigen Methode. Ganz ausschließen können die Physiker den größeren Wert nach wie vor nicht. „Der Fehler in unseren Berechnungen ist zwar klein genug, um den kleineren Wert zu bevorzugen, aber immer noch zu groß, um den größeren Wert endgültig verwerfen zu können“, resümiert Hartmut Wittig. „Wir haben aber bereits Ideen, wie wir die Genauigkeit unserer Rechnungen noch weiter steigern können.“ 

JGU / DE
 

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