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Teilchenphysik

Proton leichter als gedacht?

Wissenschaftler präsentieren einen neuen Wert für die Masse eines einzelnen Protons. Ihr Resultat ist um den Faktor drei genauer als der bisherige Standardwert und weicht davon signifikant ab.
Atommodell

Es ist ein sehr verbreitetes Teilchen im Universum: Mindestens ein Proton sitzt in jedem Atomkern – es präzise zu wiegen, ist allerdings keine einfache Sache. Physiker vom Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg berichten jetzt im Fachblatt "Physical Review Letters", wie sie mit einer ausgefeilten Technik den bislang genauesten Wert bestimmen konnten. Ihr Ergebnis von 1,007276466583(15)(29) atomaren Masseneinheiten ist um den Faktor drei besser als der bisherige Standardwert (die Zahlen in Klammern geben die statistische und systematische Unsicherheit an). Doch nicht nur das: Ihr Resultat ist auch signifikant kleiner und weicht um rund drei Standardabweichungen vom bisherigen Wert ab.

Als "Waage" benutzten die Wissenschaftler eine so genannte Penningfalle. Diese Apparatur kann einzelne geladene Teilchen, wie zum Beispiel ein Proton, mit Hilfe von elektrischen und magnetischen Feldern einsperren. Das festgesetzte Teilchen bewegt sich nun in der Falle auf eine ganz bestimmte Art und Weise. Die Bewegung wird durch drei Frequenzen charakterisiert – und diese lassen sich messen. Mit Hilfe der Frequenzwerte wiederum ist es schließlich möglich, die Masse des Teilchens zu berechnen. Als Referenz nutzten die Forscher den Massestandard für Atome, das Kohlenstoffisotop 12C, das per Definition zwölf atomare Masseneinheiten schwer ist. "Zunächst haben wir je ein Proton und ein Kohlenstoffteilchen in getrennten Abteilen unserer Penningfallen-Apparatur gespeichert, dann abwechselnd je eines der beiden Partikel in das in der Mitte liegende Messabteil geschleust und ihre Bewegung darin vermessen", erklärt Sven Sturm, Koautor der Studie. Das Verhältnis der beiden Messwerte ergibt schließlich die Protonenmasse direkt in atomaren Einheiten.

Protonen sind Bausteine aller Atomkerne, und demzufolge ist ihre Masse eine elementare Größe in der Atom- und Teilchenphysik: Sie beeinflusst unter anderem, wie sich die Elektronen um den Atomkern bewegen. Dadurch bestimmen sie etwa, welche Energiemengen Atome absorbieren und wieder abstrahlen können. Mit dieser Eigenschaft, dem "Atomspektrum", lassen sich fundamentale physikalische Theorien prüfen. Auch könnte ein präziser Vergleich der Massen des Protons und des Antiprotons helfen, den Unterschied zwischen Materie und Antimaterie besser zu verstehen. Die Forscher des MPIKs hoffen, dass sie künftig noch genauer messen können, indem sie Unsicherheitsfaktoren eliminieren, die von Magnetfeldschwankungen herrühren. Ob ihr Wert allerdings tatsächlich der "richtige" ist und sich nicht doch irgendwo ein systematischer Fehler verbirgt, bleibt abzuwarten.

29/2017

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 29/2017

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