Nicht nur die Finanzmärkte schrumpfen: Die bisher genaueste Messung des Protonenradius zeigte, dass er 4 % kleiner ist als bisher angenommen. Obwohl dieser Radius zuvor besser mit den Berechnungen einer der genauesten Theorien der Quantenwelt übereinstimmte.
Die Quantenelektrodynamik (QED) ist eine Theorie, deren Vorhersagen sich manchmal mit erstaunlicher Genauigkeit bewahrheiten, bis hin zu Hundertstel eines Millionstels Prozent. Umso überraschender ist die Diskrepanz zwischen QED-Schlussfolgerungen und neuen experimentellen Daten.
„Am elegantesten wäre es, wenn in den Berechnungen einfach irgendein Fehler gefunden würde“, sagt Randolf Pohl, einer der Autoren dieses Experiments, „aber Theoretiker haben alles studiert und sind zu dem Schluss gekommen, dass alles in allem ist Rechts. Vielleicht ist das Problem nicht, dass sich herausstellte, dass das Proton kleiner als die berechnete Größe war, sondern dass wir nicht vollständig verstehen, was in ihm vor sich geht.
Um möglichst genaue Messungen zu machen, gingen die Physiker nicht den direkten Weg, sondern konstruierten zunächst ein nicht standardmäßiges Wasserstoffatom. Denken Sie daran, dass dieses einfachste Atom aus 1 Proton als Kern und 1 Elektron besteht, das sich um ihn dreht. Genauer gesagt ist ein Elektron eine Elektronenwolke, die in verschiedene Quantenzustände übergehen kann – Orbitale unterschiedlicher Form. Jedes Orbital ist durch ein genau definiertes Energieniveau gekennzeichnet.
Allerdings entdeckte 1947 eine Gruppe amerikanischer Physiker unter der Leitung des späteren Nobelpreisträgers Willis Lamb, dass Orbitalenergien nicht immer eindeutig den von der Theorie vorhergesagten quantisierten Energieniveaus entsprechen. Diese Verschiebungen, Lamb-Verschiebungen genannt, werden durch die Wechselwirkung der Elektronenwolke mit Schwankungen im elektromagnetischen Feld verursacht. Es war diese Entdeckung - und ihre baldige theoretische Untermauerung durch Hans Bethe -, die den Grundstein für die Quantenelektrodynamik legte, als die bisher genaueste Quantenfeldtheorie.
Und nun versuchen Randolph Paul und seine Kollegen seit mehr als 10 Jahren, die Grenzen dieser Genauigkeit zu ermitteln. Mit einem Teilchenbeschleuniger am Paul Scherrer Institut in der Schweiz erzeugten sie nicht ganz gewöhnliche Wasserstoffatome, bei denen das Elektron durch ein anderes Teilchen, das Myon, ersetzt wird, das die gleiche Einheit negativer Ladung hat, aber 207-mal schwerer als das Elektron ist und wiegt sehr instabil - seine Lebensdauer beträgt etwa 2 ms. Die Wissenschaftler maßen dann die Lamb-Verschiebung in diesem "myonischen Wasserstoff". Da das Myon viel schwerer als das Elektron ist, umkreist es das Proton selbst viel näher und interagiert anders mit den Quantenfluktuationen, die die Verschiebung verursachen. In diesem Fall sollte es größer und einfacher zu messen sein.
Die hochgenaue Lamb-Verschiebung fiel höher aus als die QED-Vorhersagen, und da sie auch vom Radius des Protons abhängt, wurde daraus errechnet, dass dieser Radius 0,84184 Millionstel Nanometer beträgt - 4% weniger als die Ergebnisse, die durch Messungen an gewöhnlichem Wasserstoff erh alten wurden.
Können wir über das Scheitern der QED-Theorie sprechen? Unwahrscheinlich, sagt der russische theoretische Physiker Rudolf Faustov. Er erinnert daran, dass das Proton selbst eine Kombination aus Quarks und Gluonen ist, die durch die starke Kraft vereint sind. Die Komplexität dieser Struktur macht es schwierig, die elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen einem Proton und einem Myon genau zu messen. In der Praxis ist es schwierig, eine Wechselwirkung von der anderen zu trennen und zu verstehen, wie das Auftreten des Myons selbst die Eigenschaften des Protons beeinflusst hat.
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Laut Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und ScienceNOW-Bericht
